KR20170037646A - Enhanced activation of self-passivating metals - Google Patents

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Abstract

이전의 금속 성형 공정의 결과로서 베일비층(Beilby layer)을 형성하는 하나 이상의 표면 영역을 갖는 자가 부동태화 금속(self passivating metal)으로 이루어진 공작물은 무산소 질소 할로겐화물 염을 가열함으로써 생성된 증기에 공작물을 노출시킴으로써 후속 저온 가스 경화를 위해 활성화된다.A workpiece made of a self-passivating metal having at least one surface area that forms a Beilby layer as a result of a previous metal forming process may contain a workpiece in the vapor produced by heating the anoxic nitrogen halide salt And is activated for subsequent cold gas curing by exposure.

Description

자가 부동태화 금속의 향상된 활성화{ENHANCED ACTIVATION OF SELF-PASSIVATING METALS} [0001] ENHANCED ACTIVATION OF SELF-PASSIVATING METALS [0002]

관련 출원의 상호 참조 Cross reference of related application

본 출원은 우선권 주장하는 2014년 7월 31일자로 출원한 특허 가출원번호 제62/031,338호의 이익을 청구하며, 그 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로 원용한다.This application claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 031,338, filed July 31, 2014, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.

종래의 Conventional 침탄Carburizing 처리 process

종래의 (고온) 침탄 처리는 성형된 금속 물품의 표면 경도를 향상시키기 위해 널리 이용되고 있는 산업 프로세스이다("케이스 하드닝(case hardening)"). 통상의 상업적 프로세스에서, 공작물을 고온(예를 들면, 1,000℃ 이상)의 탄th 함유 가스와 접촉시키고, 이에 의해 가스의 분해에 의해 유리된 탄소 원자가 공작물 표면 내로 확산한다. 경화는 확산된 탄소 원자와 공작물 내의 하나 이상의 금속이 반응하여, 별도의 화학적 화합물, 즉 탄화물을 형성하고, 이어서 그 탄화물을 공작물 표면을 형성하는 금속 매트릭스 내에 별개의 극도로 경도가 높은 결정질 입자로서 석출시킴으로써 이루어진다. Stickels의 "Gas Carburizing"(pp 312-324, Volume 4, ASM Handbook, ⓒ 1991, ASM International) 참조.Conventional (high temperature) carburizing is an industrial process that is widely used to improve the surface hardness of molded metal articles ("case hardening"). In a typical commercial process, the workpiece is contacted with a carbon-containing gas at a high temperature (e.g., above 1,000 degrees Celsius), whereby carbon atoms liberated by decomposition of the gas diffuse into the workpiece surface. Curing is a process in which the diffused carbon atoms react with one or more metals in the workpiece to form separate chemical compounds, i. E., Carbides, which are then precipitated as distinct extremely hard crystalline particles in the metal matrix forming the workpiece surface . See Stickels' "Gas Carburizing" (pp 312-324, Volume 4, ASM Handbook, 1991, ASM International).

스테인리스강은 대기에 노출되자마자 즉시 크롬 산화물의 불투과성 층을 형성하기 때문에 내식성을 갖는다. 그 강은 자가 부동태화(self-passivating)한다고 한다.Stainless steel has corrosion resistance because it forms an impermeable layer of chromium oxide immediately upon exposure to the atmosphere. The river is said to be self-passivating.

스테인리스강이 통상적으로 침탄 처리될 때, 그 강의 크롬 함량이 표면 경화를 담당하는 탄화물 석출물의 형성을 통해 국부적으로 고갈된다. 그 결과, 표면에 보호 크롬 산화물을 형성하도록 크롬 탄화물 석출물을 바로 접하게 둘러싸는 표면 부근 영역의 크롬이 불충분하다. 그 강의 내부식성이 손상되기 때문에, 스테인리스강은 종래의 (고ds) 침탄 처리에 의해서는 거의 표면 경화 처리되지 않는다.When stainless steels are typically carburized, the chrome content of the steel is locally depleted through the formation of carbide precipitates responsible for surface hardening. As a result, chromium in the vicinity of the surface immediately surrounding the chromium carbide precipitate is insufficient to form protective chromium oxide on the surface. The corrosion resistance of the steel is impaired, so that the stainless steel is hardly surface hardened by the conventional (high ds) carburizing treatment.

저온 Low temperature 침탄Carburizing 처리 process

1980년대 중반에, 스테인리스강을 표면 경화 처리하는 기법이 개발되었는데, 그 경우, 공작물을 통상 550℃ 이하의 저온의 탄소 함유 가스와 접촉시킨다. 그러한 온도에서, 침탄 처리가 너무 오래 지속되지 않는다고 하면, 가스의 분해로 유리된 탄소 원자가 탄화물 석출물을 형성하는 일 없이 공작물 표면 내로 통상 20 내지 50 ㎛의 깊이까지 확산된다. 그럼에도, 비상하게 경도가 높은 표면(표면층)이 얻어진다. 탄화물 석출물이 생성되지 않기 때문에, 그 강의 내부식성은 손상되지 않고, 심지어 개선된다. "저온 침탄 처리"로 불리는 그러한 기법은 US 5,556,483, US 5,593,510, US 5,792,282, US 6,165,597, EPO 0787817, JP9-14019 (공개9-268364) 및 JP9-71853(공개9-71853)을 비롯한 다수의 문헌에 기술되어 있다.In the mid-1980s, a technique for surface hardening stainless steels was developed, in which the workpiece was brought into contact with a low temperature carbon-containing gas, typically below 550 ° C. At such a temperature, if the carburizing process is not continued for too long, carbon atoms liberated by the decomposition of the gas are diffused into the surface of the workpiece usually to a depth of 20 to 50 탆 without forming carbide precipitates. Nevertheless, a surface (surface layer) having high hardness is obtained. Since carbide precipitates are not produced, the corrosion resistance of the steel is not damaged and even improved. Such techniques, referred to as "low temperature carburization ", are described in many documents including US 5,556,483, US 5,593,510, US 5,792,282, US 6,165,597, EPO 0787817, JP 9-14019 (open 9-268364) and JP 9-71853 (open 9-71853) ≪ / RTI >

질화nitrification  And 침탄질화Carbo-nitriding 처리 process

침탄 처리에 추가하여, 질화 및 침탄질화처리가 다양한 금속의 표면 경화에 이용될 수 있다. 질화 처리는, 표현 경화를 위한 탄소 원자를 생성하도록 분해되는 탄소 함유 가스를 이용하는 대신에, 표면 경화를 위한 질소 원자를 생성하도록 분해되는 질소 함유 가스를 이용한다는 점을 제외하면, 본질적으로 침탄 처리와 동일한 방식으로 작용한다.In addition to the carburizing treatment, nitriding and carbo-nitriding treatment can be used for surface hardening of various metals. The nitriding treatment essentially consists of a carburizing treatment and a nitriding treatment, except that instead of using a carbon-containing gas which decomposes to produce carbon atoms for the expression hardening, a nitrogen-containing gas decomposes to produce nitrogen atoms for surface hardening It works in the same way.

하지만, 침탄 처리와 마찬가지로, 질화 처리가 고온에서 급속 냉각(rapid quenching) 없이 달성된다면, 경화는 확산 원자의 별개의 화합물, 즉 질화물의 형성 및 석출을 통해 이루어진다. 한편, 질화 처리가 저온에서 플라즈마 없이 달성된다면, 경화는 금속의 결정격자 내로 확산된 질소 원자에 의해 금속의 결정격자 상에 가해지는 응력을 통해 석출물의 형성 없이 이루어진다. 침탄 처리의 경우와 같이, 스테인리스강은 그 강 내의 크롬이 확산 질소 원자와 반응하여 질화물을 형성하게 할 때에 그 강의 고유의 내부식성을 잃기 때문에 통상 종래의 (고온) 또는 플라즈마 질화 처리에 의해 질화 처리되지 않는다.However, as with the carburizing treatment, if the nitriding treatment is achieved without rapid quenching at high temperatures, the curing takes place through the formation and precipitation of a separate compound of the diffusing atoms, i. On the other hand, if the nitriding treatment is achieved at low temperatures without plasma, the hardening takes place without the formation of precipitates through the stress applied on the crystal lattice of the metal by the nitrogen atoms diffused into the crystal lattice of the metal. As in the case of carburizing treatment, stainless steel loses intrinsic corrosion resistance of the steel when chromium in the steel reacts with diffusing nitrogen atoms to form a nitride, and therefore, it is usually subjected to nitriding treatment by a conventional (high temperature) or plasma nitriding treatment It does not.

침탄질화 처리에 있어서, 공작물은 질소 및 탄소 함유 가스 모두에 노출되고, 이에 의해 질소 원자와 탄소 원자 모두가 표면 경화를 위해 공작물 내로 확산된다. 침탄 및 질화 처리와 마찬가지로, 침탄질화 처리는, 질화물 및 탄화물 석출물의 형성을 통해 경화가 이루어지는 고온에서 달성될 수 있거나, 금속의 결정격자 내로 확산한 침입형(interstitially) 용해 질소 및 탄소 원자에 의해 금속의 결정격자에 생성되는 급격하게 국부적인 응력장(stress field)을 통해 경화가 이루어지는 저온에서 달성할 수 있다. 편의상, 그러한 3가지 프로세스 모두, 즉 침탄 처리, 질화 처리 및 침탄질화 처리 모두를 본 개시에서는 포괄적으로 "저온 표면 경화" 또는 "저온 표면 경화 프로세스"로서 부른다.In the carbo-nitriding process, the workpiece is exposed to both nitrogen and carbon-containing gases, whereby both nitrogen and carbon atoms diffuse into the workpiece for surface hardening. Like the carburizing and nitriding treatment, the carbo-nitriding treatment can be achieved at a high temperature at which curing takes place through the formation of nitride and carbide precipitates, or by interstitially dissolved nitrogen and carbon atoms diffused into the crystal lattice of the metal, Lt; RTI ID = 0.0 > curing < / RTI > through a rapidly localized stress field generated in the crystal lattice of the substrate. For convenience, all three of these processes, namely carburizing, nitriding and carbo-nitriding, are collectively referred to as "low temperature surface hardening" or "low temperature surface hardening process" in this disclosure.

활성화(Activation)Activation

저온 표면 경화에 수반되는 온도가 너무 낮기 때문에, 탄소 및/또는 질소 원자는 스테인리스강의 크롬 산화물 보호 코팅을 뚫고 들어가지 못할 것이다. 따라서, 그러한 금속의 저온 표면 경화는 그 단계보다 앞서 활성화("탈부동태화(depassivation)") 단계를 통상 먼저 수행하는데, 그 단계에서는 공작물을 200 내지 400℃의 고온에서 HF, HCl, NF3, F2 또는 Cl2 등의 할로겐 함유 가스와 접촉시켜, 강의 산화물 보호 코팅이 탄소 및/또는 질소 원자의 통과에 대해 투과성을 갖게 하고 있다.Because the temperature involved in low temperature surface hardening is too low, carbon and / or nitrogen atoms will not penetrate the chrome oxide protective coating of the stainless steel. Thus, the low temperature surface hardening of such metals usually precedes the activation ("depassivation") step prior to that step, in which the workpiece is exposed to HF, HCl, NF 3 , Containing gas such as F 2 or Cl 2 such that the oxide protective coating of the steel is permeable to the passage of carbon and / or nitrogen atoms.

본 명세서에서 참조로 그 개시 내용을 인용하는 Somers 등의 WO 2006/136166(US 8,784,576)에서는 스테인리스강의 저온 침탄 처리를 위한 수정된 프로세스를 개시하고 있는데, 이 경우 아세틸렌이 침탄 가스 내의 활성화 성분으로서 이용, 즉 침탄 프로세스를 위한 탄소 원자를 공급하는 소스 화합물로서 이용된다. 그 문헌에 나타난 바와 같이, 할로겐 함유 가스를 이용하는 별도의 활성화 단계는 아세틸렌 소스 화합물이 강을 탈부동태화시키기에도 충분한 반응성을 갖기 때문에 불필요하다. 따라서, 그 문헌의 침탄 처리 기법은 자가 활성화(self-activating)로서 간주될 수 있다.WO 2006/136166 (US 8,784,576) to Somers et al., The disclosure of which is incorporated herein by reference, discloses a modified process for the low temperature carburization of stainless steels wherein acetylene is used as an activating component in the carburizing gas, That is, as a source compound for supplying carbon atoms for the carburization process. As shown in that document, a separate activation step using a halogen-containing gas is unnecessary since the acetylene source compound has sufficient reactivity to de-passivate the steel. Therefore, the carburizing technique of the document can be regarded as self-activating.

본 명세서에서 참조로 그 개시 내용을 인용하는 Christiansen 등의 WO 2011/009463(US 8,845,823)에서는 스테인리스강을 침탄질화 처리하기 위한 유사한 수정된 프로세스를 개시하고 있는데, 이 경우 요소, 포름아미드 등의 "N/C 화합물"이 침탄질화 프로세스를 위해 필요한 질소 및 탄소 원자를 공급하는 소스 화합물로서 이용된다. 그 문헌의 기법도 역시 할로겐 함유 가스를 이용한 별도의 활성화 단계가 불필요하다고 할 수 있기 때문에 자가 활성화로서 간주될 수 있다.Christiansen et al., WO 2011/009463 (US 8,845,823), the disclosure of which is incorporated by reference herein, discloses a similar modified process for carburizing nitrides of stainless steels, in which case "N / C < / RTI > compound "is used as the source compound to supply the nitrogen and carbon atoms necessary for the carbo-nitridation process. The technique of the document can also be regarded as self-activation, since a separate activation step using a halogen-containing gas is unnecessary.

표면 준비 및 Surface preparation and 베일비층Veil layer (( BeilbyBeilby Layer) Layer)

저온 표면 경화는 흔히 복잡한 형상을 갖는 공작물에 대해 행해진다. 그러한 형상을 만들어내기 위해, 절삭 단계(예를 들면, 소잉, 스크래핑, 머시닝) 및/또는 단련 처리 단계(wrought processing step)(예를 들면, 단조, 인발, 굽힘 등)의 몇몇 형태의 금속 성형 공정이 통상 요구된다. 그러한 단계의 결과로, 결정 조직에서의 구조적 결함은 물론 윤활유, 수분, 산소 등의 오염물이 종종 금속의 표면 부근 영역으로 도입된다. 그 결과, 복잡한 형상을 갖는 대부분의 공작물에서, 소성 변형에 의해 유발된 필요 이상으로 미세한 결정립 조직과 상당한 오염 수준을 갖는 결함이 많은 표면층을 통상 생성한다. 두께가 2.5㎛에 이를 수 있고 베일비층(Beilby layer)으로서 알려진 그 층은 스테인리스강 및 기타 자가 부동태화 금속의 응집성 크롬 산화물 보호층 또는 기타 부동태화층 바로 아래에서 형성된다.Low temperature surface hardening is often done for workpieces with complex shapes. In order to produce such a shape, several types of metal forming processes (e.g., sawing, scraping, machining) and / or wrought processing steps (e.g. forging, drawing, bending, etc.) Is normally required. As a result of such steps, contaminants, such as lubricating oil, moisture, oxygen, as well as structural defects in the crystalline structure, are often introduced into the area near the surface of the metal. As a result, in most workpieces having complex shapes, a defective surface layer with a fine grain structure and a considerable level of contamination than necessary caused by plastic deformation is usually produced. The layer, which can reach a thickness of 2.5 [mu] m and is known as a Beilby layer, is formed directly below a coherent chromium oxide protective layer or other passivating layer of stainless steel and other self-passivating metals.

상기한 바와 같이, 저온 표면 경화를 위해 스테인리스강을 활성화시키는 전통적인 방법은 할로겐 함유 가스와의 접촉에 의해서이다. 이러한 활성화 기법은 본질적으로 베일비층에 의해 영향을 받지 않는다.As mentioned above, the traditional method of activating stainless steel for low temperature surface hardening is by contact with halogen containing gas. This activation technique is inherently unaffected by the veil overlay.

하지만, 이러한 점은 아세틸렌 또는 "N/C 화합물"과의 접촉에 의해 공작물이 활성화되는 Somers 등과 Christiansen 등의 상기한 문헌에서 개시하는 자가 활성화 기법에 대해서도 그렇다고 할 수는 없다. 오히려, 복잡한 형상의 스테인리스강 공작물이 표면 경화를 시작하기 전에 베일비층을 제거하기 위해 전해 연마, 기계적 폴리싱, 화학적 에칭 등에 의해 표면 처리되지 않는다면, 그 문헌들의 자가 활성화 표면 경화 기법은 전혀 효과가 없거나, 다소 효과가 있다하더라도 기껏해야 표면 영역들 간에 불규칙하고 일관성 없는 결과를 생성하는 것을 경험하였다. 따라서, 현실적 문제로서, 그 자가 활성화 표면 경화 기법들은 먼저 베일비층을 제거하기 위해 공작물을 전처리하지 않는다면 복잡한 형상의 스테인리스강 공작물에 이용될 수 없다.However, this can not be said for the self-activation technique described by Somers et al. And Christiansen et al. In which the workpiece is activated by contact with acetylene or "N / C compound ". Rather, unless a complex shaped stainless steel workpiece is surface treated by electrolytic polishing, mechanical polishing, chemical etching, etc., to remove the bailed layer before the surface hardening begins, the self-activating surface hardening technique of the literature is not effective at all, Even if somewhat effective, at best, we have experienced irregular and inconsistent results between surface areas. Thus, as a practical matter, the self-activating surface hardening techniques can not be used in a complex shaped stainless steel workpiece unless the workpiece is first pretreated to remove the bale overlay.

본 발명에 따르면, 종래의 공지의 자가 활성화 저온 표면 경화 프로세스에 있어서의 이전의 금속 성형 공정에서 비롯된 베일비층을 갖는 자가 부동태화 금속에 실시될 때의 문제점은, 공작물을 활성화시킬 뿐만 아니라 저온 표면 경화를 위해 필요한 질소 원자와 선택적으로 탄소 원자를 공급하는 소스 화합물로서 무산소 질소 할로겐화물 염을 선택함으로써 극복할 수 있는 것으로 확인되었다.The problem with the present invention is that, when applied to a self-passivating metal with a bailed layer originating from a previous metal forming process in a conventional known self-activating low temperature surface hardening process, the problem is not only to activate the workpiece, Can be overcome by selecting an anoxic nitrogen halide salt as the source compound that supplies the nitrogen atoms and optionally the carbon atoms needed for the reaction.

특히, 본 발명에 따르면, 저온 질화 및 저온 침탄질화 처리는, 질화를 위한 질소 원자(침탄질화를 위해서는 탄소 원자도 함께)를 공급하는 데에 이용되는 소스 화합물이 무산소 질소 할로겐화물 염이라면, 질화 또는 침탄질화 처리될 공작물이 이전의 금속 성형 공정에서 비롯된 베일비층을 갖는 자가 부동태화 금속으로 이루어지더라도 자가 활성화가 이루어질 수 있는 것으로 확인되었다.Particularly, according to the present invention, the low-temperature nitridation and the low-temperature carbo-nitriding treatment are carried out by nitriding or nitriding if the source compound used for supplying nitrogen atoms for nitriding (together with carbon atoms for nitriding) It has been found that the workpiece to be carbo-nitrided can be self-activated even if it is made of a self-passivating metal having a bail non-layer originating from the previous metal forming process.

따라서, 본 발명은 하나의 실시예에서, 이전의 금속 성형 공정의 결과로서 베일비층을 포함하는 하나 이상의 표면 영역을 갖는 자가 부동태화 금속으로 이루어진 공작물을, 후속 저온 침탄, 침탄질화 또는 질화 처리를 위해 활성화하는 프로세스를 제공하되, 이 프로세스는 그 공작물을, 무산소 질소 할로겐화물 염을 증기로 전환하기에 충분히 높은 온도로 무산소 질소 할로겐화물 염을 가열함으로써 생성된 증기와 접촉하게 노출시키는 것을 포함하며, 그 공작물은 질화물 및/또는 탄화물 석출물을 형성하는 온도보다 낮은 활성화 온도에서 공작물을 활성하기에 충분한 시간 동안 그 증기에 노출된다.Thus, in one embodiment, the present invention provides, in one embodiment, a workpiece made of a self-passivating metal having at least one surface area that includes a bailed layer as a result of a previous metal forming process for a subsequent cold carburization, carburizing or nitriding treatment The process comprising exposing the workpiece to contact with a vapor produced by heating the oxygen-free nitrogen halide salt to a temperature high enough to convert the oxygen-free nitrogen halide salt to steam, The workpiece is exposed to the vapor for a time sufficient to activate the workpiece at an activation temperature that is lower than the temperature at which it forms nitride and / or carbide precipitates.

게다가, 다른 실시예에서, 본 발명은, 이전의 금속 성형 공정의 결과로서 베일비층을 형성하는 하나 이상의 표면 영역을 갖고 자가 부동태화 금속으로 이루어진 공작물을 동시에 활성화시키고 질화 처리하는 프로세스를 제공하되, 이 프로세스는 그 공작물을, 무산소 질소 할로겐화물 염을 증기로 전환하기에 충분히 높은 온도로 무산소 질소 할로겐화물 염을 가열함으로써 생성된 증기와 접촉하게 노출시키는 것을 포함하며, 그 공작물은 질소 원자가 공작물의 표면 내로 확산하게 하기에는 충분히 높지만 질화물 석출물을 형성하는 온도보다는 낮은 질화 온도에서 그 증기에 노출시키며, 이에 의해 질화물 석출물의 형성 없이 공작물을 질화 처리한다.In addition, in another embodiment, the present invention provides a process for simultaneously activating and nitriding a workpiece made of a self-passivating metal having at least one surface area that forms a bailed layer as a result of a previous metal forming process, The process comprises exposing the workpiece to contact with the vapor produced by heating the oxygen-free nitrogen halide salt to a temperature high enough to convert the oxygen-free nitrogen halide salt to steam, the workpiece having nitrogen atoms entering into the surface of the workpiece Is exposed to the vapor at a nitridation temperature that is sufficiently high to cause diffusion but is lower than the temperature at which nitride precipitates are formed, thereby nitriding the workpiece without the formation of nitride precipitates.

또 다른 실시예에서, 본 발명은, 이전의 금속 성형 공정의 결과로서 베일비층을 형성하는 하나 이상의 표면 영역을 갖고 자가 부동태화 금속으로 이루어진 공작물을 동시에 활성화시키고 침탄질화 처리하는 프로세스를 제공하되, 이 프로세스는 그 공작물을, 탄소 함유 무산소 질소 할로겐화물 염을 증기로 전환하기에 충분히 높은 온도로 탄소 함유 무산소 질소 할로겐화물 염을 가열함으로써 생성된 증기와 접촉하게 노출시키는 것을 포함하며, 그 공작물은 질소 및 탄소 원자가 공작물의 표면 내로 확산하게 하기에는 충분히 높지만 질화물 석출물 또는 탄화물 석출물을 형성하는 온도보다는 낮은 침탄질화 온도에서 그 증기에 노출시키며, 이에 의해 질화물 또는 탄화물 석출물의 형성 없이 공작물을 침탄질화 처리한다.In another embodiment, the present invention provides a process for simultaneously activating and carbo-nitriding a workpiece made of a self-passivating metal having at least one surface area that forms a bailed layer as a result of a previous metal forming process, The process comprises exposing the workpiece to contact with a vapor produced by heating the carbon containing oxygen-free nitrogen halide salt to a temperature high enough to convert the carbon-containing oxygen-free nitrogen halide salt to steam, the workpiece comprising nitrogen and Is exposed to the vapor at a carburizing nitridation temperature that is sufficiently high to allow carbon atoms to diffuse into the surface of the workpiece but is lower than the temperature at which nitride precipitates or carbide precipitates are formed, thereby nitriding the workpieces without forming nitride or carbide precipitates.

정의 및 용어Definitions and Terms

상기한 바와 같이, 전통적(고온) 표면 경화와 1980년대 중반에 처음으로 개발된 새로운 저온 표면 경화 간의 근본적인 차이는 전통적(고온) 표면 경화에서는 경화가 경화되는 금속의 표면에 탄화물 및/또는 질화물 석출물의 형성의 결과로서 이루어진다는 점이다. 반면, 저온 표면 경화에서는 경화가 금속의 표면 내로 확산된 탄소 및/또는 질소 원자의 결과로서 금속의 표면에서의 금속의 결정격자에 가해지는 응력의 결과로서 이루어진다. 전통적(고온) 표면 경화 처리에서 표면 경화를 담당하는 탄화물 및/또는 질화물 석출물이 저온 침탄 처리에 의해 표면 경화된 스테인리스강에서 발견되지 않으며, 또한, 저온 표면 경화는 스테인리스강의 내부식성에 악영향을 미치지 않기 때문에, 저온 침탄 처리에서 표면 경화가 강의 (오스테나이트) 결정 조직 내로 확산된 침입형 용해 탄소 및/또는 질소 원자에 의해 생성된 급격한 국부적 응력장의 결과로서만 발생한다는 것은 독창적인 생각이었다.As noted above, the fundamental difference between conventional (hot) surface hardening and the new low temperature surface hardening first developed in the mid 1980's is that in conventional (hot) surface hardening, carbide and / or nitride precipitates As shown in FIG. On the other hand, in low temperature surface hardening, hardening is the result of stresses exerted on the crystal lattice of the metal at the surface of the metal as a result of the carbon and / or nitrogen atoms diffused into the surface of the metal. Carbide and / or nitride precipitates responsible for surface hardening in conventional (hot) surface hardening treatments are not found in surface hardened stainless steels by low temperature carburizing treatment, and the low temperature surface hardening does not adversely affect the corrosion resistance of stainless steels As a result, it was originally thought that in the low-temperature carburizing process, the surface hardening occurs only as a result of the abrupt local stress field generated by the interstitial dissolved carbon and / or nitrogen atoms diffused into the steel (austenite) crystal structure.

하지만, 최근의 보다 수준 높은 분석 연구에서는 그 체적의 일부 또는 전부가 페라이트상으로 이루어진 합금에 대해 저온 표면 경화가 수행되는 경우, 몇몇 형태의 종래에 알려지지 않은 질화물 및/또는 탄화물 석출물이 페라이트상 내에 소량으로 형성될 수 있는 것으로 드러났다. 구체적으로, 최근의 분석 연구에서는 대체로 페라이트상 조직을 나타내는 AISI 400계열의 스테인리스강에서 그 합금이 저온 표면 경화될 때에 이전에 알려지지 않았던 소량의 질화물 및/또는 탄화물이 석출할 수 있다고 제시하고 있다. 마찬가지로, 최근의 분석 연구에서는 페라이트상과 오스테나이트상 모두를 함유하는 듀플렉스 스테인리스강에서 저온 표면 경화될 때에 이전에 알려지지 않았던 소량의 질화물 및/또는 탄화물이 그 강의 페라이트상 내에 석출할 수 있다고 제시하고 있다. 이전에 알려지지 않았던 새로이 발견된 질화물 및/또는 탄화물 석출물의 정확한 성질은 여전히 알려져 있지 않지만, 그러한 "준평형(para-equilibrium)" 석출물을 바로 접하게 둘러싸는 페라이트 매트릭스에서는 그 크롬 함량이 고갈되지 않는다는 점이 알려졌다. 그 결과, 내부식성을 담당하는 크롬이 금속에 걸쳐 균일하게 분포된 채로 유지되기 때문에 그 스테인리스강의 내부식성이 손상되지 않은 채로 유지된다.However, in more recent, higher-level analytical studies, it has been found that, if low-temperature surface hardening is performed on an alloy of which some or all of its volume is composed of a ferrite phase, some types of conventionally unknown nitride and / or carbide precipitates are present in the ferrite phase As shown in FIG. Specifically, recent analytical work suggests that in the AISI 400 series of stainless steels, which generally represent ferrite phase textures, a small amount of nitride and / or carbide may be precipitated, which was previously unknown when the alloy was cold cured at low temperatures. Likewise, recent analytical work suggests that a small amount of nitride and / or carbide, previously unknown, may precipitate in the ferrite phase of the steel at low temperature surface hardening in duplex stainless steels containing both ferrite and austenite phases . It is known that the precise nature of the newly discovered nitride and / or carbide precipitates, previously unknown, is not known yet, but the chromium content is not depleted in the ferrite matrix immediately surrounding such "para-equilibrium & . As a result, the corrosion resistance of the stainless steel remains unimpaired because the chromium responsible for corrosion resistance remains uniformly distributed throughout the metal.

따라서, 본 개시를 위해, "본질적으로 질화물 및/또는 탄화물 석출물이 없는" 공작물 표면층, "질화물 및/또는 탄화물 석출물의 형성 없이" 표면 경화된 공작물, 또는 "질화물 및/또는 탄화물 석출물이 형성되는 온도보다 낮은 온도"라고 언급하고 경우, 이는 전통적(고온) 표면 경화 프로세스에서 표면 경화를 담당하는 한편, 그 석출물을 바로 접하게 둘러싸는 금속 매트릭스에서 크롬 함량의 고갈의 결과로서 내부식성을 손실시키기에 충분한 크롬 함량을 갖는 형태의 질화물 및/또는 탄화물 석출물을 지칭한다는 점을 이해해야 할 것이다. 그러한 언급은 AISA 400 스테인리스강, 듀플렉스 스테인리스강 및 가타 유사한 합금의 페라이트상에서 소량으로 형성될 수 있는 이전에 알려지지 않았던 새로이 발견된 질화물 및/또는 탄화물 석출물을 지칭하는 것은 아니다.Thus, for the purposes of this disclosure, the term " workpiece surface layer without essentially nitride and / or carbide precipitates ", "surface hardened workpiece" without the formation of nitride and / or carbide precipitates, or temperature at which nitrides and / or carbide precipitates are formed Quot; lower temperature ", it is assumed that this is responsible for the surface hardening in the traditional (hot) surface hardening process, while the chromium content sufficient to lose corrosion resistance as a result of depletion of the chromium content in the metal matrix immediately surrounding the precipitate Quot; refers to a nitride and / or carbide precipitate of a type having a content of < RTI ID = 0.0 > Such references do not refer to previously discovered newly discovered nitride and / or carbide precipitates that may be formed in small quantities on ferrites of AISA 400 stainless steels, duplex stainless steels, and similar alloys of Gata.

합금alloy

본 발명은 질소 및 탄소 원자의 통과에 대해 투과성이 없는 응집성의 고크롬 산화물 보호층을 공기에 대한 노출 시에 형성하는 의미에서 자가 부동태화하는 임의의 금속 또는 금속 합금에 실행될 수 있다. 그러한 금속 합금은 공지되어 있고 예를 들면 저온 표면 경화 프로세스에 관한 이전의 특허 문헌에 기술되어 있으며, 그 예로는 US 5,792,282, US 6,093,303, US 6,547,888, EPO 0787817 및 일본 특허 문헌 9-14019(공개9-268364)가 있다.The present invention can be practiced on any metal or metal alloy that is self-passivating in the sense of forming a coherent, high chromium oxide protective layer that is not permeable to the passage of nitrogen and carbon atoms upon exposure to air. Such metal alloys are known and described in, for example, prior patent documents relating to low temperature surface hardening processes, examples of which are described in US 5,792,282, US 6,093,303, US 6,547,888, EPO 0787817 and Japanese Patent Publication 9-14019 268364).

특히 중요한 합금은 스테인리스강, 즉 5 내지 50중량%, 바람직하게는 10 내지 40중량%의 니켈과, 공기에 노출될 때에 표면에 크롬 산화물의 보호층을 형성하기에 충분한 크롬, 통상은 약 10% 이상의 크롬을 함유하는 강이다. 바람직한 스테인리스강은 10 내지 40중량%의 Ni과 10 내지 35중량%의 Cr을 함유한다. 보다 바람직하게는 AISI 301, 303, 304, 309, 310, 316, 316L, 317, 317L, 321, 347, CF8M, CF3M, 254SMO, A286 및 AL6XN 스테인리스강 등의 AISI 300 계열의 강이다. AISI 400 계열 스테인리스강, 특히 Alloy 410, Alloy 416 및 Alloy 440C도 특히 중요하다.Particularly important alloys are stainless steel, i.e., 5 to 50 wt% nickel, preferably 10 to 40 wt% nickel, and chromium sufficient to form a protective layer of chromium oxide on the surface upon exposure to air, typically about 10% Or more of chromium. Preferred stainless steels contain 10 to 40 wt% Ni and 10 to 35 wt% Cr. More preferred are AISI 300 series steels such as AISI 301, 303, 304, 309, 310, 316, 316L, 317, 317L, 321, 347, CF8M, CF3M, 254SMO, A286 and AL6XN stainless steels. AISI 400 series stainless steels, especially Alloy 410, Alloy 416 and Alloy 440C are also particularly important.

본 발명에 의해 처리될 수 있는 다른 종류의 합금으로는 공기에 노출될 때에 응집성 크롬 산화물의 보호층을 형성하기에 충분한 크롬, 통상의 약 10% 이상의 크롬을 역시 함유하는, 니켈계, 코발트계, 및 망간계 합금이 있다. 니켈계 합금의 예로는 몇 가지 예를 들자면 Alloy 600, Alloy 625, Alloy 825, Alloy C-22, Alloy C-276, Alloy 20 Cb 및 Alloy 718이 포함된다. 그러한 코발트계 합금의 예로는 MP35N 및 Biodur CMM을 포함한다. 그러한 망간계 합금의 예로는 AISI 201, AISI 203EZ 및 Biodur 108을 포함한다.Other classes of alloys that may be treated by the present invention include nickel-based, cobalt-based, and cobalt-based alloys which also contain sufficient chromium, typically about 10% or more, to form a protective layer of coherent chromium oxide upon exposure to air. And manganese based alloys. Examples of nickel-based alloys include Alloy 600, Alloy 625, Alloy 825, Alloy C-22, Alloy C-276, Alloy 20 Cb and Alloy 718 in some examples. Examples of such cobalt based alloys include MP35N and Biodur CMM. Examples of such manganese based alloys include AISI 201, AISI 203EZ and Biodur 108.

본 발명이 실행될 수 있는 또 다른 종류의 합금으로는 티타늄계 합금이 있다. 야금 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 그 합금은 질소 및 탄소 원자의 통과에 대해 불투과성인 응집성의 티타늄 산화물 보호 코팅을 공기에 대한 노출시에 형성한다. 그러한 티타늄계 합금의 특정예로는 Grade 2, Grade 4 및 Ti 6-4 (Grade 5)를 포함한다.Another class of alloys in which the present invention may be practiced is a titanium-based alloy. As is well known in the metallurgical arts, the alloy forms a coherent titanium oxide protective coating that is impermeable to the passage of nitrogen and carbon atoms upon exposure to air. Specific examples of such titanium-based alloys include Grade 2, Grade 4 and Ti 6-4 (Grade 5).

본 발명에 따라 처리되는 금속의 특정 상은, 본 발명이 오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트, 듀플렉스(예를 들면, 오스테나이트/페라이트) 등을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 임의의 상 조직의 금속에 실시될 수 있다는 의미에서 중요하지 않다.Certain phases of the metal to be treated in accordance with the present invention may be applied to any phase structure metal such as but not limited to austenite, ferrite, martensite, duplex (e.g., austenite / ferrite) It is not important in the sense of being able.

무산소 질소 할로겐화물 염을 이용한 활성화Activation with anoxic nitrogen halide salt

본 발명에 따르면, 자가 부동태화 금속으로 이루어지고 그 적어도 하나의 표면 영역에 베일비층을 갖도록 복잡한 형상을 갖는 공작물이 동시 및/또는 후속 저온 표면 경화를 위해 무산소 질소 할로겐화물 염을 가열함으로써 생성된 증기와 공작물을 접촉시킴으로써 활성화(즉, 탈부동태화)될 수 있다. 놀랍게도, 그러한 증기는 표면 경화를 위해 질소 원자와 선택적인 탄소 원자를 공급함과 아울러, 자가 부동태화 금속의 표면을 상당한 베일비층의 존재에도 불구하고 용이하게 활성화시키는 효력을 갖는다는 점을 발견하였다. 또한, 매우 놀랍게도, 본 발명자들은 그러한 식으로 활성화된 공작물은 종래에 가능하였던 것보다 훨씬 짧은 시간에 표면 경화될 수 있다는 점을 발견하였다. 예를 들면, 활성화 및 이에 후속한 저온 표면 경화를 위한 종래의 프로세스에서 적절한 케이스(표며 경화된 층)를 달성하는 데에 24 내지 48시간이 걸린 바면, 활성화 및 이에 후속한 저온 표면 경화를 위한 본 발명의 프로세스는 2시간만큼 작은 시간에 상응하는 케이스를 달성할 수 있다.According to the present invention, a workpiece having a complicated shape made of a self-passivating metal and having a bailed layer in at least one surface area thereof can be produced by heating the oxygen-free nitrogen halide salt for simultaneous and / (I.e., de-passivated) by contacting the workpiece with the workpiece. Surprisingly, it has been found that such vapors provide nitrogen atoms and selective carbon atoms for surface hardening, as well as having the effect of readily activating the surface of a self-passivating metal despite the presence of a considerable veiling layer. Also, quite surprisingly, the inventors have found that such a work-activated workpiece can be surface hardened in a much shorter time than was possible in the prior art. For example, if it takes between 24 and 48 hours to achieve a suitable case (surface and hardened layer) in a conventional process for activation and subsequent subsequent low temperature surface hardening, the activation and subsequent blanks for low temperature surface hardening The inventive process can achieve a corresponding case at a time as little as two hours.

이론에 의해 한정하고자 하는 것은 아니지만, 무산소 질소 할로겐화물 염은 공작물 표면과의 접촉 전에 및/또는 그 접촉의 결과로서 분해되어 할로겐화물 이온과 질소 이온 모두를 생성하는 것으로 여겨진다. 할로겐화물 이온은 공작물 표면을 효과적으로 활성화시키는 것으로 여겨지는 반면, 질소 이온은 공작물 표면 내로 확산되어 저온 질화를 통해 그 표면을 경화시키는 것으로 여겨진다. 무산소 질소 할로겐화물 염이 탄소도 함유하는 경우, 무산소 질소 할로겐화물 염이 분해될 때에 탄소 원자도 유리되며, 그 탄소 원자도 질소 원자와 함께 공작물 표면 내로 확산된다. 이 경우, 공작물의 표면은 저온 침탄질화를 통해 경화된다.Without wishing to be bound by theory, it is believed that the oxygen-free nitrogen halide salt decomposes before and / or as a result of contact with the workpiece surface to produce both halide and nitrogen ions. It is believed that halide ions are thought to effectively activate the workpiece surface while nitrogen ions diffuse into the workpiece surface to cure the surface through low temperature nitrification. When the anoxic nitrogen halide salt also contains carbon, carbon atoms are liberated when the anoxic nitrogen halide salt decomposes, and the carbon atoms are also diffused into the surface of the workpiece together with the nitrogen atoms. In this case, the surface of the workpiece is hardened through low temperature carbo-nitriding.

따라서, 무산소 질소 할로겐화물 염이 본 발명에 따른 활성화에 이용되는 경우, 활성화에 이용되는 무산소 질소 할로겐화물 염이 질화에 필요한 질소 원자를 공급할 것이기 때문에 질화 프로세스를 위해 추가적인 질소 함유 화합물을 공급할 필요가 없다는 의미에서 활성화와 질화가 동시에 이루어진다는 점을 이해할 것이다. 마찬가지로, 탄소 함유 무산소 질소 할로겐화물 염이 본 발명에 따른 활성화에 이용되는 경우, 탄소 함유 무산소 질소 할로겐화물 염이 침탄질화에 필요한 질소 및 탄소 원자를 공급할 것이기 때문에 침탄질화 프로세스를 위해 질소와 탄소를 모두 함유하는 추가적인 화합물 또는 화합물들을 공급할 필요가 없다는 의미에서 활성화와 침탄질화가 동시에 이루어진다.Therefore, when an anoxic nitrogen halide salt is used for the activation according to the present invention, it is not necessary to supply additional nitrogen-containing compounds for the nitrification process since the anoxic nitrogen halide salt used for activation will supply the nitrogen atoms necessary for nitridation In the sense, it will be understood that activation and nitrification occur simultaneously. Likewise, when a carbon-containing anoxic nitrogen halide salt is used in the activation according to the present invention, since the carbon-containing anoxic nitrogen halide salt will provide nitrogen and carbon atoms necessary for carbo-nitriding, both nitrogen and carbon Activation and carbo-nitriding are carried out at the same time in the sense that there is no need to supply additional compounds or compounds containing them.

한편, 무산소 질소 할로겐화물 염의 결과로서 발생하는 질화, 침탄, 및 침탄질화를 증진시키길 원한다면, 질화를 위한 질소 원자를 생성하도록 분해될 수 있는 추가적인 질소 함유 화합물, 침탄을 위한 탄소 원자를 생성하도록 분해될 수 있는 추가적인 탄소 함유 화합물, 침탄질화를 위한 질소 및 탄소 원자 모두를 생성하도록 분해될 수 있는 탄소 및 질소 원자 모두를 함유하는 화합물 또는 이들의 임의의 조합이 그 시스템에 추가될 수도 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 그러한 추가적인 질소 함유 및/또는 탄소 함유 화합물은 공작물의 활성화가 완료된 후에 추가될 것이다. 본 개시의 맥락에서, 그러한 기법을 "후속" 저온 질화, 침탄 및/또는 침탄질화 처리로서 지칭한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 그러한 추가적인 질소 함유 및/또는 탄소 함유 화합물은 공작물의 활성화가 종료되기 전에 또는 활성화의 시작과 동시에 추가될 수 있다. 본 개시의 맥락에서, 그러한 기법을 "동시" 저온 질화, 침탄 및/또는 침탄질화 처리로서 지칭한다.On the other hand, if it is desired to promote nitriding, carburization, and carbo-nitriding that occur as a result of an oxygen-free nitrogen halide salt, additional nitrogen-containing compounds that can be decomposed to produce nitrogen atoms for nitriding, Compounds containing both carbon and nitrogen atoms that can be decomposed to produce both nitrogen and carbon atoms for carbo-nitriding, or any combination thereof, may be added to the system. In some embodiments of the present invention, such additional nitrogen containing and / or carbon containing compounds will be added after the activation of the workpiece is completed. In the context of this disclosure, such techniques are referred to as "subsequent" low temperature nitriding, carburizing and / or carbo-nitriding treatments. In another embodiment of the present invention, such additional nitrogen-containing and / or carbon-containing compounds may be added either prior to termination of the workpiece or at the same time as the start of activation. In the context of this disclosure, such techniques are referred to as "simultaneous" low temperature nitridation, carburization and / or carbo-nitridation treatments.

상기한 것을 표현하는 다른 방식은 본 발명의 활성화와 동시이냐 활성화의 완료 후이냐에 따라 공작물이 공작물 표면에 경화된 표면, 즉 "케이스(case)"를 형성하는 종래의 방식으로 저온 침탄, 저온 질화 또는 저온 침탄질화 처리를 받을 수 있다는 점이다. 당업계에서 자명한 바와 같이, 이는 질화를 위한 질소 원자, 침탄을 위한 탄소 원자 또는 침탄질화를 위한 질소와 탄소 원자 모두를 생성하도록 분해될 수 있는 가스상의 화합물과 공작물을 질화물 석출물 또는 탄화물 석출물의 형성을 피하는 모든 조건 하에서 접촉시킴으로써 행해진다. 편의상, 그러한 저온 경하 프로세서를 본 개시에서는 적어도 몇몇 부분에서 "저온 가스 경화" 또는 "저온 가스 경화 프로세스"로서 지칭한다.Another way of expressing the above is that in the conventional manner in which the workpiece forms a hardened surface or "case" on the workpiece surface, depending on whether the activation of the present invention is accomplished or not, Or a low temperature carbo-nitriding treatment. As will be appreciated by those skilled in the art, this can be achieved by forming a gaseous compound and a gaseous compound that can be decomposed to produce both nitrogen atoms for nitridation, carbon atoms for carburization or both nitrogen and carbon atoms for carbo-nitridation to form nitride precipitates or carbide precipitates Lt; RTI ID = 0.0 > under all conditions avoiding < / RTI > For the sake of convenience, such low-temperature light-curing processors are referred to in this disclosure as "low temperature gas curing" or "low temperature gas curing processes"

본 발명에 따른 활성화 및 표면 경화에 이용될 수 있는 무산소 질소 할로겐화물 염은, (1) 그 무산소 질소 할로겐화물 염에 상온에서 물에 대해 적어도 5몰/리터의 용해도를 제공하는 할로겐화물 음이온을 포함하고, (2) 적어도 하나의 질소 원자를 함유하고, (3) 산소를 함유하지 않으며, 그리고 (4) 대기압에서 350℃의 온도로 가열될 때에 기화하는 임의의 이온성 화합물을 포함한다. 이와 관련하여, 종래 기술에서 활성화 가스로서 이용되어 온 무산소 질소 및 불소 함유 화합물, 즉 NF3은 이온성이 아니고 따라서 염도 아니라는 점에서 본 개시의 맥락에서의 무산소 질소 할로겐화물 염이 아니라는 점을 유념해야 할 것이다.The anoxic nitrogen halide salt that can be used for activation and surface hardening in accordance with the present invention comprises (1) a halogenated anion that provides a solubility in anoxic nitrogen halide salt of at least 5 moles / liter to water at ambient temperature , (2) contains at least one nitrogen atom, (3) does not contain oxygen, and (4) is heated to a temperature of 350 ° C at atmospheric pressure. In this regard, it should be noted that the anoxic nitrogen and fluorine containing compounds, i.e. NF 3 , which have been used as activating gases in the prior art, are not anoxic nitrogen halide salts in the context of this disclosure in that they are not ionic and therefore not saline something to do.

이를 위해 유용한 무산소 질소 할로겐화물 염의 특정 예로는, 염화암모늄, 불화 암모늄, 염화 구아니디늄, 불화 구아니디늄, 염화 피리디늄 및 불화 피리디늄을 포함한다. 염소산 암모늄 및 과염소산 암모늄 등의 산소 함유 질소 할로겐화물 염은 분해시에 유리되는 산소 원자가 활성화(탈부동태화)를 방해하기 때문에 피해야 한다. 게다가, 염소산염 및 과염소산염은 고온으로 가열될 때에 폭발할 수도 있다는 추가적인 이유로 피해야 한다.Specific examples of useful anoxic nitrogen halide salts for this purpose include ammonium chloride, ammonium fluoride, guanidinium chloride, guanidinium fluoride, pyridinium chloride and pyridinium fluoride. Oxygen-containing nitrogen halide salts, such as ammonium chlorate and ammonium perchlorate, should be avoided as oxygen atoms liberated during decomposition interfere with activation (de-passivation). In addition, chlorate and perchlorate should be avoided for additional reasons that they may explode when heated to high temperatures.

본 발명에 따라 공작물의 활성화를 달성하기 위해, 공작물은 무산소 질소 할로겐화물 염이 가열에 의해 기화될 때에 생성되는 증기에 노출된다(즉, 접촉한다). 이는 대기압에서, 대기압 이상에서, 또는 고진공(hard vacuum), 즉 1torr(133 Pa (파스칼) 이하의 총 압력은 물론 저진공(soft vacuum), 즉 3.5 내지 100 torr (~500 내지 ~13,000Pa(파스칼))의 총 압력을 비롯한 대기압 이하의 압력에서 행해질 수 있다.To achieve activation of the workpiece in accordance with the present invention, the workpiece is exposed (i.e., brought into contact with) the vapors produced when the oxygen-free nitrogen halide salt is vaporized by heating. This can be achieved at atmospheric pressure, above atmospheric pressure, or under a hard vacuum, i. E. A total pressure of less than 1 Torr (133 Pa), as well as a soft vacuum, i.e. 3.5 to 100 torr )), Including atmospheric pressure.

상기한 바와 같이, 그러한 접촉이 발생할 때에 일어나는 정확한 메커니즘은 본 명세서를 작성하고 있는 현재로서는 명확하지 않다. 하지만, 명확한 것은 공작물의 표면이 적절한 활성화 온도에서 적절한 길이의 시간 동안 그러한 증기와 접촉한다면 동시 및/또는 후속 침탄, 질화 및 침탄질화를 위해 효과적으로 활성화(즉, 탈부동태화)된다는 점이다.As noted above, the exact mechanism that occurs when such a contact occurs is not clear at this time writing this specification. However, what is clear is that the surface of the workpiece is effectively activated (i.e., de-passivated) for simultaneous and / or subsequent carburization, nitriding and carbo-nitriding if it comes into contact with such steam for a suitable length of time at the appropriate activation temperature.

이와 관련하여, 저온 표면 경화 프로세서에서, 공작물이 너무 높은 온도에 노출된다면, 원치 않는 질화물 및/또는 탄화물 석출물이 형성된다는 점을 잘 이해할 것이다. 게다가, 질화물 및/또는 탄화물 석출물을 형성하는 일 없이 공작물에 허용 가능한 최대 표면 경화 온도는, 수행될 저온 표면 경화 프로세스의 특정 형태(예를 들면, 침탄, 질화 또는 침탄질화), 표면 경화될 특정 합금(예를 들면, 니켈계 대 철계 합금), 및 공작물 표면 내에 확산된 질소 및/또는 탄소 원자의 농도를 비롯한 다수의 변수에 의존할 수 있다는 점을 이해할 것이다. 예컨대, 본 출원인에게 양도된 US 6,547,888을 참조할 수 있다. 또한, 저온 표면 경화 프로세스를 실행하는 데에 있어서, 질화물 및/또는 탄화물 석출물의 형성을 피하기 위해 표면 경화 온도가 너무 높게 되는 것을 피하도록 주의를 기울여야 한다는 점 또한 잘 이해할 것이다.In this regard, it will be appreciated that, in a low temperature surface hardening processor, unwanted nitrides and / or carbide precipitates are formed if the workpiece is exposed to too high a temperature. In addition, the maximum allowable surface hardening temperature for the workpiece without forming nitride and / or carbide precipitates will depend on the particular form of the low temperature surface hardening process to be performed (e.g., carburizing, nitriding or carbo-nitriding) (E.g., nickel-based vs. iron-based alloys), and the concentration of nitrogen and / or carbon atoms diffused into the surface of the workpiece. See, for example, US 6,547,888 assigned to the assignee of the present invention. It will also be appreciated that in performing a low temperature surface hardening process, care must be taken to avoid too high a surface hardening temperature to avoid the formation of nitride and / or carbide precipitates.

따라서, 마찬가지로, 본 발명의 프로세스를 실행하는 데에 있어, 활성화 중에 공작물이 노출되는 온도도 원하지 않는 질화물 및/또는 탄화물 석출물이 형성될 정도로 너무 높지 않도록 보장하기 위해서도 역시 주의를 기울여야 한다. 일반적으로, 이는 활성화 중에 공작물이 노출되는 최대 온도는 처리될 특정 합금에 의존하여 500℃, 바람직하게는 475℃ 또는 심지어 450℃를 초과하지 않아야 함을 의미한다. 또한, 예를 들면, 니켈계 합금이 표면 경화되는 경우, 그 합금들은 보다 높은 온도에 도달할 때까지 질화물 및/또는 탄화물 석출물을 형성하지 않기 때문에, 최대 활성화 온도는 약 500℃만큼 높을 수 있다. 한편, 스테인리스강 등 철계 합금이 표면 경화되는 경우, 그 합금들은 높은 온도에서 질화물 및/또는 탄화물 석출물의 형성에 대해 민감해지는 경향이 있기 때문에, 최대 활성화 온도는 약 450℃로 제한되는 것이 바람직하다.Likewise, care must also be taken to ensure that the temperature at which the workpiece is exposed during activation is not too high to cause undesired nitrides and / or carbide precipitates to form in carrying out the process of the present invention. Generally, this means that the maximum temperature at which the workpiece is exposed during activation should not exceed 500 占 폚, preferably 475 占 폚 or even 450 占 폚, depending on the particular alloy to be treated. Further, for example, when the nickel-based alloy is surface hardened, the maximum activation temperature may be as high as about 500 占 폚, since the alloys do not form nitride and / or carbide precipitates until a higher temperature is reached. On the other hand, when an iron-based alloy such as stainless steel is surface hardened, it is preferable that the maximum activation temperature is limited to about 450 캜, because the alloys tend to be sensitive to the formation of nitride and / or carbide precipitates at high temperatures.

최소 활성화 온도와 관련하여, 무산소 질소 할로겐화물 염 및 공작물 자체 모두의 온도가 무산소 질소 할로겐화물 염이 활성화될 공작물 표면과 접촉할 때에 기화 상태에 있을 정도로 충분히 높아야 한다는 점을 제외하면, 실질적인 하한은 없다.With respect to the minimum activation temperature, there is no substantial lower limit, except that the temperatures of both the oxygen-free nitrogen halide salt and the workpiece itself must be sufficiently high to be in a vaporized state when the oxygen-free nitrogen halide salt contacts the workpiece surface to be activated .

최소 활성화 시간과 관련하여, 많은 경우에, 본 발명의 프로세스는 공작물이 전체 저온 열 경화 프로세스 동안 무산소 질소 할로겐화물 염의 증기에 계속 노출되도록 수행될 것이다. 이들 경우에, 저온 열 경화 프로세스가 종료될 때까지 활성화가 계속 발생하기 때문에 최소 활성화 시간은 없다.With respect to the minimum activation time, in many cases, the process of the present invention will be performed such that the workpiece is continuously exposed to the vapor of the oxygen-free nitrogen halide salt during the entire low temperature thermal curing process. In these cases, there is no minimum activation time since activation continues until the low temperature thermal curing process is terminated.

하지만, 열 경화 프로세스가 종료되기 전에 무산소 질소 할로겐화물 염 증기와의 공작물의 접촉이 종료되는 경우, 그 접촉은 공작물과 그 증기 간의 접촉이 종료되기 전에 공작물이 효과적으로 활성화되도록 충분히 오래 지속되어야 한다. 그 시간은 사례에 기초하여 일상적인 실험에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 하지만, 일반적으로 말해, 그 접촉은 적어도 약 10분, 보다 통상적으로 적어도 약 15분, 적어도 약 20분, 적어도 약 30분, 적어도 약 45분 또는 적어도 약 1시간 지속되어야 한다.However, if the contact of the workpiece with the oxygen-free nitrogen halide salt vapors is terminated prior to the end of the heat curing process, the contact should last long enough for the workpiece to be effectively activated before the contact between the workpiece and its vapor is terminated. The time can be easily determined by routine experimentation based on the case. Generally speaking, however, the contact should last at least about 10 minutes, more typically at least about 15 minutes, at least about 20 minutes, at least about 30 minutes, at least about 45 minutes, or at least about 1 hour.

특정 공작물의 활성화에 이용되는 무산소 질소 할로겐화물 염의 양은 그 할로겐화물 염이 이용되고 있는 용도에 좌우된다. 그 염이 단지 활성화를 위해서만 이용되는 경우에, 이용되는 양은 효과적인 활성화를 달성하기에 충분한 정도로만 필요하다. 한편, 그 염이 활성화를 위해서는 물론 질화에 필요한 질소 원자의 일부 또는 전부(또는 침탄질화를 위해 필요한 탄소 원자와 질소 원자 모두의 일부 또는 전부)를 공급하기 위해 이용되는 경우에, 그 이용되는 양은 두 용도 모두를 충족시키기에 충분해야 한다. 그 양은, 무산소 질소 할로겐화물 염을 주로 활성화를 위해 사용한 이하의 처리예 13 및 14를, 무산소 질소 할로겐화물 염을 활성화와 질화 모두를 위해 사용한 처리예 1 내지 3을 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이 상당히 달라질 수 있다.The amount of anoxic nitrogen halide salt used to activate a particular workpiece depends on the application in which the halide salt is being used. If the salt is used solely for activation, then the amount used is only needed to a sufficient degree to achieve effective activation. On the other hand, if the salt is used for activation, of course, to supply some or all of the nitrogen atoms necessary for nitridation (or some or all of both the carbon and nitrogen atoms necessary for carbo-nitriding) It should be sufficient to meet all uses. The quantities were determined by the following treatments 13 and 14, which used anoxic nitrogen halide salts primarily for activation, as compared to Treatment Examples 1 to 3, which used anhydrous nitrogen halide salts for both activation and nitration It can be different.

열 경화(Thermal Hardening)Thermal Hardening

본 발명의 프로세스의 공작물이 충분히 활성화되고 나면, 그 공작물은 저온 질화, 침탄 및/또는 침탄질화 처리하는 확립된 방법에 의해 열 경화될 수 있다. 다시 말해, 공작물이 처리되는 반응기는 물론, 경화 반응을 위해 반응기 내에서 노출되는 반응 가스의 화학적 조성, 시간, 온도 및 압력의 측면에서 활성화되고 난 후 그 공작물이 처리되는 방식은 모두 통상적이다. 몇몇 경우에, 상기한 바와 같이, 공작물은 열 경화 프로세스의 일부 또는 전체 동안 무산소 질소 할로겐화물 염의 증기에 계속해서 노출될 수 있다. 다른 경우에, 원한다면, 그 노출은 예를 들면 열 경화가 완료되기 전에 반응기로의 무산소 질소 할로겐화물 염 증기의 흐름을 중단시키는 등에 의해 종료될 수 있다. 어느 상황에서도, 열 경화는, 질화물 및/또는 탄화물 석출물 또는 기타 자가 부동태화 금속의 경우에는 그 유사물의 형성을 피하는 방식으로 원하는 깊이의 케이스(즉, 경화된 표면층)를 공작물에 생성하는 방식으로 달성된다.Once the workpiece of the process of the present invention is sufficiently activated, the workpiece may be thermoset by an established method of low temperature nitriding, carburizing and / or carbo-nitriding. In other words, the manner in which the workpiece is processed after activation in terms of chemical composition, time, temperature and pressure of the reaction gas exposed in the reactor for the curing reaction, as well as the reactor in which the workpiece is processed is all common. In some cases, as described above, the workpiece may continue to be exposed to the vapor of the oxygen-free nitrogen halide salt during some or all of the heat curing process. In other cases, if desired, the exposure may be terminated, for example, by stopping the flow of oxygen-free nitrogen halide salt vapors to the reactor before the thermal cure is completed. In either situation, thermal curing is accomplished in such a way that a case of desired depth (i.e., a cured surface layer) is created in the workpiece in a manner that avoids the formation of nitride and / or carbide precipitates or other self- do.

따라서, 수행되는 특정 열 경화 프로세스가 질화 처리인 경우, 그 공작물은 질소 원자가 공작물의 표면 내로 확산하게 하기에는 충분히 높지만 질화물 석출물을 형성하는 온도보다는 낮은 질화 온도에 노출시키며, 이에 의해 질화물 석출물의 형성 없이 공작물을 질화 처리한다. 따라서, 수행되는 특정 열 경화 프로세스가 침탄 처리인 경우, 그 공작물은 탄소 원자가 공작물의 표면 내로 확산하게 하기에는 충분히 높지만 탄화물 석출물을 형성하는 온도보다는 낮은 침탄 온도에 노출시키며, 이에 의해 탄화물 석출물의 형성 없이 공작물을 침탄 처리한다. 그리고, 수행되는 특정 열 경화 프로세스가 침탄질화 처리인 경우, 그 공작물은 질소 및 탄소 원자가 공작물의 표면 내로 확산하게 하기에는 충분히 높지만 질화물 석출물 또는 탄화물 석출물을 형성하는 온도보다는 낮은 침탄질환 온도에 노출시키며, 이에 의해 질화물 석출물 또는 탄화물 석출물의 형성 없이 공작물을 침탄질화 처리한다.Thus, if the particular thermal curing process being performed is a nitridation process, the workpiece is exposed to a nitridation temperature that is sufficiently high to allow nitrogen atoms to diffuse into the surface of the workpiece, but lower than the temperature at which nitride precipitates are formed, Is nitrided. Thus, if the particular thermal curing process being performed is a carburizing process, the workpiece is exposed to a carburizing temperature that is high enough to allow carbon atoms to diffuse into the surface of the workpiece, but lower than the temperature at which the carbide precipitates are formed, Is carburized. And, if the particular thermal curing process being performed is a carbo-nitriding process, the workpiece is exposed to a carburizing disease temperature that is sufficiently high to allow nitrogen and carbon atoms to diffuse into the surface of the workpiece, but lower than the temperature at which nitride precipitates or carbide precipitates form, Thereby nitriding the workpiece without forming nitride precipitates or carbide precipitates.

특히 흥미로운 기법에서, 활성화와 열 경화는, 폐쇄 시스템에서, 즉 활성화 및 열 경화 프로세스 전체 과정 동안 어떠한 물질의 유입 또는 유출에 대해서도 완전히 밀봉된 반응 용기 내에서 본 발명에 따라 이루어진다. 활성화와 열 경화가 적절히 이루어지도록 보장하기 위해, 충분한 양의 질소 할로겐화물 염 증기를 활성화될 필요가 있는 공작물의 표면, 특히 상당한 베일비층을 갖는 그 표면 영역과 접촉시키는 것이 바람직하다. 본 발명에 따라 활성화와 열 경화 모두에 이용되는 질소 할로겐화 염이 통상은 입상 고체이기 때문에, 그 접촉이 적절히 이루어지도록 보장하기 위한 용이한 방안은 그 표면을 입상 고체로 코팅 또는 기타 방식으로 피복하고, 이어서 공작물과 무산소 질소 할로겐화물 염의 가열을 시작하기 전에 반응 용기를 밀봉하는 것이다. 또는, 무산소 질소 할로겐화물 염은 적절한 액체 내에 용해 또는 분산되어, 그러한 식으로 공작물 상에 코팅될 수 있다.In a particularly interesting technique, the activation and thermosetting are effected in accordance with the invention in a completely sealed reaction vessel for the entry or exit of any substance during the entire system, i.e. during the entire activation and thermosetting process. To ensure that activation and thermosetting are properly carried out, it is desirable to bring a sufficient amount of nitrogen halide salt vapor into contact with the surface of the workpiece that needs to be activated, particularly with its surface area having a significant bailed layer. As a nitrogen halogenated salt used in both activation and thermosetting according to the present invention is usually a particulate solid, an easy way to ensure that the contact is properly made is to coat the surface with a particulate solid or otherwise, And then sealing the reaction vessel before starting the heating of the workpiece and the oxygen-free nitrogen halide salt. Alternatively, the anoxic nitrogen halide salt may be dissolved or dispersed in a suitable liquid and coated on the workpiece in such a manner.

이러한 기법은, 도관을 위한 페룰 및 이음쇠 등의 많은 수의 작은 공작물을 수용하는 대형 배치(batch)들이 동일 반응 용기에서 동시에 열 경화되는 경우에 특히 편리하다.This technique is particularly convenient when large batches containing a large number of small workpieces, such as ferrules and fittings for conduits, are simultaneously heat cured in the same reaction vessel.

폐쇄 시스템을 이용하는 상기한 기법은 어떤 점에서는 Minemura 등의 US 8,414,710에 개시된 기법과 닮았는데, 그 경우에 표면 경화될 자가 부동태화 금속 공작물이 멜라민 수지, 요소 수지, 아닐린 수지 또는 포르말린 수지 등의 아미노 수지로 코팅되고, 이어서 가열되어 그 공작물을 동시에 탈부동태화 및 열 경화시킨다. 하지만, 그 문헌에 개시한 열 경화 프로세스는 종래의 고온 및 플라즈마 보조 질화 및 침탄 프로세스이다. 게다가, 질소 할로겐화물 염은 개시하거나 제안하고 있지도 않다. 본 발명의 기법은, 질소 할로겐화물 염이 베일비층을 갖는 자가 부동태화 금속을 활성화시키는 데에 뿐만 아니라, 탄화물 및/또는 질화물 석출물의 형성 없이 그 금속을 표면 경화시키는 데에도 이용되고 있다는 점에서 Minemura 등의 특허와는 상이하다. Minemura 등의 특허의 아미노 수지는 그러한 용도로 기능하지 않은 것으로 여겨진다.The technique described above using a closed system resembles in some respects the technique disclosed in US 8,414,710 to Minemura et al. In which case the self-passivating metal workpiece to be surface hardened is an amino resin such as melamine resin, urea resin, aniline resin or formalin resin And then heated to de-passivate and heat cure the workpiece at the same time. However, the heat curing process disclosed therein is a conventional high temperature and plasma assisted nitriding and carburizing process. In addition, nitrogen halide salts are neither disclosed nor proposed. The technique of the present invention is particularly advantageous in that the nitrogen halide salt is used not only for activating a passivated metal having a bailed layer but also for hardening the metal without forming carbide and / And the like. The amino resins of the Minemura et al. Patent are not believed to function for such purposes.

이러한 점에서, Minemura 등의 특허의 아미노 수지보다 본 발명의 무산소 질소 할로겐화물 염에 더 유사한 기타 질소 및 탄소 함유 화합물은 본 발명의 목표를 달성하는 측면에서 유효하지 않은 것으로 확인되었다. 따라서, 예를 들면, 구아니디늄 카보네이트, 시아누르 산, 이미다졸 및 칼슘시안아미드는 이들이 본 발명의 무산소 질소 할로겐화물 염과 많은 점에서 유사하지만, 베일비층을 갖는 AISI 316 스테인리스강으로 이루어진 공작물을 동시 저온 침탄 처리를 위해 성공적으로 활성화시키지 못할 것이라는 점을 확인하였다.In this regard, it has been found that other nitrogen and carbon containing compounds, which are more similar to the oxygen free nitrogen halide salts of the present invention than the amino resins of the Minemura et al. Patent, are not effective in terms of achieving the objectives of the present invention. Thus, for example, guanidinium carbonates, cyanuric acids, imidazoles and calcium cyanamides are preferred because they are similar in many respects to the oxygen free nitrogen halide salts of the present invention, but have a workpiece made of AISI 316 stainless steel with a bale non- It was confirmed that it would not be successfully activated for simultaneous cold carburization.

활성화와 열 경화가 전술한 바와 같이 폐쇄 시스템에서 수행되는 본 발명의 기법은 또한 어떤 점에서는 Bessen의 US 3,232,797에 개시된 기법도 닮았는데, 그 경우에는 강제 스트립을 염화 구아니디늄을 포함한 구아니디늄 화합물로 코팅하고, 이어서 가열하여 구아니디늄 화합물을 분해시켜 그 강제 스트립을 질화 처리한다. 하지만, 그 특허에서 질화되는 얇은 강제 스트립은 질소 및 탄소 원자의 통과에 대해 불투과성인 강력한 접착성을 갖는 응집성 산화물 보호 코팅을 형성한다는 의미에서의 자가 부동태화가 아니다. 따라서, 그 특허에서 개시하는 기법은, 질소 및 탄소 원자의 통과에 대해 불투과성인 스테인리스강 및 기타 자가 부동태화 금속이 저온 열 경화 프로세스의 일부로서 무산소 질소 할로겐화물 염의 증기와의 접촉에 의해 그 원자들에 대한 투과성이 부여되는 본 발명과는 관련성이 거의 없다.The technique of the present invention in which activation and thermosetting are performed in a closed system as described above also resembles the technique disclosed in US Pat. No. 3,232,797 to Bessen in some respects, in which case the forced strips are treated with guanidinium compounds And then heated to decompose the guanidinium compound to nitridize the steel strip. However, thin forced strips that are nitrided in the patent are not self-passivating in the sense that they form a cohesive oxide protective coating with strong adhesion that is impermeable to the passage of nitrogen and carbon atoms. Thus, the technique disclosed in that patent is based on the fact that stainless steels and other self-passivating metals that are impermeable to the passage of nitrogen and carbon atoms can be removed by contact with the vapors of anoxic nitrogen halide salts as part of a low- Are not related to the present invention, which is imparted with transparency to the above-mentioned materials.

선택적 N/C 화합물Selective N / C compound

상기한 바와 같이, Christiansen 등의 WO 2011/009463(US 8,845,823)에서는 "N/C 화합물"을 가열하여 분해시킴으로써 생성되는 증기에 스테인리스강 및 기타 자가 부동태화 금속을 노출시킴으로써 그 금속을 저온 침탄질화 처리할 수 있다고 교시하고 있다. 그 문헌에서 추가로 기술하고 있는 바와 같이, N/C 화합물의 분해로 생성된 증기가 그러한 금속도 활성화시키는 것으로 확인되었기 때문에, 할로겐 함유 가스에 의한 별도의 활성화 단계는 필요하지 않다고 말하고 있다. 하지만, 앞서 언급한 바와 같이, 본 발명자들은 침탄질화될 공작물의 표면이 베일비층을 포함한다면 그러한 화합물은 활성화를 유효한 방식으로 달성할 수 없다는 점을 발견하였다. As described above, WO 2011/009463 (US 8,845,823) of Christiansen et al. Discloses that by exposing stainless steels and other self-passivating metals to vapors generated by heating and decomposing "N / C compounds" I can teach you that you can do it. As further described in that document, a separate activation step with a halogen-containing gas is not required, since the vapor generated by the decomposition of the N / C compound has been found to also activate such metals. However, as noted above, the inventors have found that such a compound can not achieve activation in an effective manner if the surface of the workpiece to be carbo-nitrated comprises a bailed layer.

한편, 본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 활성화 프로세스 동안 N/C 화합물 중 1종 이상을 반응 시스템에 포함함으로써 본 발명의 활성화 과정이 증진될 수 있는데, 이러한 기법에 의해 특히 양호한 결과가 달성될 수 있는 것으로 확인되었다. 추가로 또는 대안적으로, 그러한 N/C 화합물은 또한 후속 침탄질화 처리를 위해 필요한 추가적인 질소 및 탄소 원자의 일부 또는 전부를 공급하는 데에 이용될 수도 있다. 이와 관련하여, "후속" 침탄질화 처리를 위해 필요한 추가적인 질소 및 탄소 원자는, 공작물의 활성화가 본질적으로 완료된 후에 발생하는 침탄질화 동안에 소비되는 탄소 및 질소 원자를 지칭하는 것으로 이해해야 할 것이다.On the other hand, according to an optional feature of the present invention, the activation process of the present invention can be enhanced by including at least one of the N / C compounds in the reaction system during the activation process, Respectively. Additionally or alternatively, such N / C compounds may also be used to supply some or all of the additional nitrogen and carbon atoms needed for subsequent carbo-nitriding treatment. In this regard, it should be understood that the additional nitrogen and carbon atoms needed for the "subsequent" carbo-nitriding treatment refer to the carbon and nitrogen atoms consumed during the carbo-nitriding that occurs after the activation of the workpiece is essentially complete.

그러한 선택적 특징에 이용될 수 있는 적절한 N/C 화합물은, (a) 질소와 탄소 원자 모두를 함유하고, (b) 적어도 하나의 질소 탄소 간 결합을 포함하고, (c) 적어도 4개의 탄소 원자를 포함하고, 그리고 (d) 20℃의 온도 및 1대기압(0.1MPa)의 압력에서 고체 또는 액체 상태로 존재하는 것들을 포함한다. 이를 위해 유용한 특정 화합물로는 요소, 아세트아미드 및 포름아미드를 포함하며, 요소가 바람직하다.A suitable N / C compound that can be used for such optional features includes (a) contains both nitrogen and carbon atoms, (b) comprises at least one nitrogen carbon-carbon bond, (c) contains at least four carbon atoms And (d) are present in solid or liquid state at a temperature of 20 ° C and a pressure of 1 atmospheric pressure (0.1 MPa). Specific compounds useful for this include urea, acetamide and formamide, with urea being preferred.

본 발명의 그러한 특징을 실시하는 데에 이용될 수 있는 선택적 N/C 화합물의 양은 그 화합물을 활성화의 증진에만 이용하고자 하는 지 또는 그 화합물을 후속 침탐질화 처리를 위해 질소 및 탄소 원자를 공급하는 데에도 이용하고자 하는 지에 좌우된다. 게다가, 그 시스템에 포함된 무산소 질소 할로겐화물 염의 양이 활성화에 필요한 것보다 많은지, 만일 그렇다면, 그 초과량이 어떠한지 지에 좌우된다.The amount of selective N / C compound that can be used to practice such a feature of the present invention is determined by whether the compound is intended only for the promotion of activation or to provide the compound with nitrogen and carbon atoms for subsequent Depending on whether you want to use it. In addition, the amount of oxygen-free nitrogen halide salt included in the system is more than that required for activation, and if so, depends on what the amount of excess is.

여하튼, 선택적 N/C 화합물을 활성화의 증진에만 이용하고자 하는 전자의 상황에서, 이용되는 선택적 N/C 화합물의 양은 통상 이용되는 무산소 질소 할로겐화물 염의 양의 5 내지 150중량%, 보다 통상적으로 25 내지 125중량%, 심지어는 50 내지 100중량%일 수 있다.In any event, in the former context, where the selective N / C compound is intended to only be used to enhance activation, the amount of selective N / C compound utilized will be in the range of 5 to 150% by weight, 125% by weight, and even from 50 to 100% by weight.

후자의 상황에서는 이용될 수 있는 선택적 N/C 화합물의 양은 또한 후속 침탄, 질화 또는 침탄질화 처리를 위해 필요한 탄소 및/또는 질소 원자의 일부를 공급하는 데에 추가적 소스 화합물이 이용되는 지에 좌우된다. 여하튼, 본 발명자들은 그 상황에서는 활성화 및 후속 침탄질화 처리 모두에 이용되는 N/C 화합물의 양은 활성화에 이용되는 무산소 질소 할로겐화물 염의 양을 0.5 내지 1,000배, 보다 통상적으로는 1 내지 100배, 1.5 내지 50배, 2 내지 20배, 또는 2.5 내지 15배만큼 초과하는(또는 그에 관련이 있는) 것이 바람직하는 것을 확인하였다. 이러한 점에서, 본 발명자들은 본 발명의 선택적 특징을 실시하는 데에 있어서 N/C 화합물이 무산소 질소 할로겐화물 염을 초과하여 사용된다면 특히 양호한 결과가 달성되는 것을 확인하였는데, 그 초과량은 통상은 이용되는 무산소 질소 할로겐화물 염의 양의 2 내지 20배, 보다 통상적으로 2.5 내지 15배, 심지어는 3 내지 11배이다. The amount of selective N / C compound that can be used in the latter situation also depends on whether additional source compounds are used to supply a portion of the carbon and / or nitrogen atoms needed for subsequent carburization, nitridation or carbo-nitridation treatments. In any event, the present inventors have found that in that situation the amount of N / C compound used in both the activation and subsequent carbo-nitriding treatments can range from 0.5 to 1,000 times, more typically from 1 to 100 times, from 1.5 to 1.5 times the amount of anoxic nitrogen halide salt used for activation To 50 times, 2 to 20 times, or 2.5 to 15 times (or related thereto). In this regard, the present inventors have found that particularly good results are achieved when the N / C compound is used in excess of the anoxic nitrogen halide salt in carrying out the optional features of the present invention, 2 to 20 times, more typically 2.5 to 15 times, and even 3 to 11 times the amount of oxygen-free nitrogen halide salt to be used.

대기중 산소에 대한 공작물의 노출 Exposure of workpieces to atmospheric oxygen

본 발명의 또 다른 실시예에서, 공작물은 공작물의 활성화가 실질적으로 완성된 후에 대기중의 산소에 노출된다.In another embodiment of the present invention, the workpiece is exposed to atmospheric oxygen after the activation of the workpiece is substantially complete.

앞서 언급한 바와 같이, 스테인리스강 및 기타 자가 부동태화 금속을 저온 침탄 및/또는 침탄질화를 위해 활성화시키는 전통적인 방식은 공작물을 할로겐 함유 가스와 접촉시키는 것이다. 이러한 점에서, 상기한 US 5,556,483, US 5,593,510 및 US 5,792,282에서 기술하는 바와 같은 당해 분야에서의 몇몇 초기 연구에서는, 활성화에 이용되는 할로겐 함유 가스가 불소 함유 가스, 특히 HF, F2 및 NF3으로만 제한되었다. 이는 다른 할로겐 함유 가스, 특히 염소 함유 가스가 이용되는 경우, 활성화와 열 경화 사이에 대기중의 공기에 노출되자마자 공작물이 다시 부동태화되기 때문이다. 반면, 불소 함유 가스가 활성화에 이용되는 경우, 재부동태화는 발생하지 않는다.As mentioned earlier, the traditional way of activating stainless steels and other self-passivating metals for low-temperature carburization and / or carbo-nitriding is to contact the workpiece with a halogen-containing gas. In this regard, in some earlier studies in the art as described in US 5,556,483, US 5,593,510 and US 5,792,282, the halogen containing gas used for activation is only present with fluorine containing gases, especially HF, F 2 and NF 3 Limited. This is because, when other halogen-containing gases, especially chlorine-containing gases, are used, the workpiece is again passivated as soon as it is exposed to atmospheric air between activation and thermosetting. On the other hand, when a fluorine-containing gas is used for activation, re-passivation does not occur.

불소 함유 가스는 매우 반응성이 크고, 또한 매우 부식성이 크고 고가여서, 그러한 문제를 피하도록 그 가스의 사용을 피하는 것이 바람직하다. 한편, 활성화를 위해 염소 함유 가스를 이용하면, 사실상 활성화와 열 경화 사이에 대기 중에 공작물을 노출시키지 않을 것을 요구하며, 이는 또한 현실적 문제로서 활성화와 열 경화를 동일한 노(반응기)에서 수행해야 하게 한다. 따라서, 열 경화를 위해 자가 부동태화 금속을 활성화시키는 것과 관련하여, 불소계 활성제를 이용하는 것과 염소계 활성제를 이용하는 것 간에 내재하는 상충 문제(trande-off)가 존재한다는 점, 즉 불소계 활성제는 바람직하지 못한 부식과 경비를 수반하는 반면, 염소계 활성제는 현실적 문제로서 활성화와 열처리를 동일 노로 제안한다는 점을 알 수 있다.The fluorine-containing gas is highly reactive and highly corrosive and expensive, so it is desirable to avoid the use of the gas to avoid such problems. On the other hand, the use of a chlorine-containing gas for activation requires that the workpiece is not exposed between the activation and thermosetting in the atmosphere, which also requires activation and thermosetting to be performed in the same furnace . Thus, with regard to activating the self-passivating metal for thermosetting, there is an inherent trande-off between using a fluorine-based activator and a chlorine-based activator, i.e., the fluorine- And the expense, while the chlorinated activator is a realistic problem, suggesting activation and heat treatment in the same furnace.

본 발명의 또 다른 특징에 따라, 본 발명에 의해 제작된 활성화된 공작물은, 활성화에 이용되는 무산소 질소 할로겐화물 염이 불화물 보다는 염화물인 경우더라도 대기중의 산소에 노출될 때에 쉽게 다시 부동태화되지 않는 것이 확인되었기 때문에 그러한 상충은 깨어졌다. 즉, 염소계 무산소 질소 할로겐화물 염은, 대기중 공기에 노출될 때에 쉽게 다시 부동태화되지 않는 활성화된 공작물을 생성한다는 측면에서 노출이 24시간 또는 그 이상으로 지속되더라도 불소계 무산소 질소 할로겐화물 염과 동일한 방식으로 본 발명에서 작용한다는 점을 확인하였다.According to a further feature of the present invention, the activated workpiece produced by the present invention is not easily re-passivated when exposed to atmospheric oxygen, even when the anoxic nitrogen halide salt used for activation is a chloride rather than a fluoride The conflict was broken because it was confirmed. Namely, the chlorine-based oxygen-free nitrogen halide salt has the same method as the fluorine-based anoxic nitrogen halide salt even if the exposure lasts for 24 hours or more in terms of producing an activated workpiece that is not readily passivated again upon exposure to atmospheric air In the present invention.

그 결과, 저온 열 경화를 위해 공작물을 활성화시킬 때에 한편으로는 불소계 활성제를 사용하는 것과 다른 한편으로는 동일한 노에서 활성화와 열 처리를 수행하는 것 간에 선택할 필요가 더 이상은 없다. 반면, 본 발명을 실시하는 경우, 활성화와 열처리는 원한다면 염소계 활성제를 이용하더라도 대기중 공기에 대한 공작물의 노출을 피하기 위한 예방 조치를 취하지 않고도 완전히 별개인 2개의 상이한 노에서 수행될 수 있다. 이러한 기법, 즉 별개의 활성화용 노와 열처리용 노를 이용하는 것은 노의 작동과 자본 비용 양자 모두의 측면에서 본질적으로 단순하며, 이에 따라 전체 프로세스가 수행하는 데에 비용이 덜 들게 한다.As a result, there is no longer a need to choose between activating the workpiece for low temperature curing and using a fluorinated activator on the one hand and activating and heat-treating the same furnace on the other hand. On the other hand, in the practice of the present invention, activation and heat treatment can be carried out in two completely different furnaces, without taking precautions to avoid exposure of the workpiece to atmospheric air, even with chlorinated activators, if desired. This technique, i.e., the use of separate activation furnaces and heat treatment furnaces, is inherently simple in terms of both furnace operation and capital cost, thus making the overall process less expensive to perform.

상기한 바와 같이, 본 발명의 특징에 따른 대기중 산소에 대한 노출은 공작물의 활성화가 실질적으로 완료된 후에 언제든지 이루어질 수 있다. 이것이 의미하는 것은 실시의 측면에서 대기중 산소에 대한 노출이 발생할 때에 실질적인 재부동태화를 겪지 않을 정도로 충분하게 공작물이 활성화될 때까지 노출이 지연되어야 한다는 것이다. 다시 말해, 부적절히 활성화된 공작물의 사용으로 인한 후속 저온 열 경화 프로세스의 공정에 대한 주요한 부정적인 영향이 야기될 정도로 일찍이 노출이 이루어져서는 안 된다. 이러한 제약 외에는 본 발명에서 대기중의 공기에 대한 공작물의 노출은 후속 저온 열 경화 프로세스가 시작된 후를 비롯하여 언제든지 이루어질 수 있다.As described above, exposure to atmospheric oxygen in accordance with aspects of the present invention may occur at any time after the activation of the workpiece is substantially complete. What this means is that in terms of implementation, exposure to atmospheric oxygen must be delayed until the workpiece becomes sufficiently active to avoid substantial re-passivation. In other words, the exposure should not be so early as to cause a major negative impact on the process of the subsequent low temperature curing process due to the use of improperly activated workpieces. Except for these limitations, in the present invention, exposure of the workpiece to atmospheric air can occur at any time, including after the start of the subsequent low temperature thermal curing process.

하지만, 대기중의 공기에 대한 노출은 활성화와 저온 열 경화 사이에 활성화용 노부터 공작물을 꺼내 별개의 열 경화용 노로 옮기는 일반적인 결과로서 발생할 것이다.Exposure to air in the atmosphere, however, will occur as a general consequence of moving the workpiece from the activation furnace between activation and low temperature thermal cure to a separate thermosetting furnace.

처리예Processing Example

본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해, 이하의 처리예를 제공한다.In order to explain the present invention more specifically, the following processing examples are provided.

예 1:Example 1:

AISI 316 스테인리스강으로 이루어진 1/2인치(1.27㎝) 직경의 기계 가공 상태 그대로의 페룰의 절단부를 12㎜ 직경 210㎜ 길이의 진공(1 내지 2Pa) 유리 앰플 내에 10g의 염화 구아니디늄과 함께 봉입하였다. 그 앰풀은 노에서 50K/min의 속도로 720K(447℃)로 가열되어 염화 구아니디늄을 휘발시켰다. 720K에서 2시간 후에, 앰풀을 노로부터 꺼내어 급속 냉각시켰다. 후속한 단면 절단 페룰의 야금학적 분석에서는 1000 비커스(29g의 압입 하중)의 표면 부근 경도(near surface hardness)를 갖는 37㎛ 깊이의 침탄질화 케이스의 확산 형성이 드러났다.The cut of a 1/2 inch (1.27 cm) diameter machined ferrule made of AISI 316 stainless steel is enclosed in a 12 mm diameter 210 mm length vacuum (1 to 2 Pa) glass ampoule with 10 g of guanidinium chloride Respectively. The ampoule was heated to 720 K (447 ° C) at a rate of 50 K / min in the furnace to volatilize the guanidinium chloride. After 2 hours at 720 K, the ampoule was removed from the furnace and rapidly cooled. Metallurgical analysis of the subsequent cross-section cutting ferrules revealed diffusion formation of the carbo-nitrided case at 37 탆 depth with near surface hardness of 1000 Vickers (29 g indentation load).

예 2 및 3:Examples 2 and 3:

예 1을 두 번째 및 세 번째 반복하였다. 두 번째의 경우, 케이스 깊이는 38㎛이고 표면 부근 경도는 1300 비커스인 것으로 확인되었다. 세 번째의 경우, 케이스 깊이는 36㎛이고 표면 부근 경도는 1200 비커스인 것으로 확인되었다. 이들 예는 본 발명의 기법이 상당히 재현성이 있음을 입증한다.Example 1 was repeated two times and three times. In the second case, it was confirmed that the case depth was 38 mu m and the surface hardness was 1300 Vickers. In the third case, it was confirmed that the case depth was 36 mu m and the hardness around the surface was 1200 Vickers. These examples demonstrate that the technique of the present invention is highly reproducible.

예 4:Example 4:

공작물(즉, 가공 상태 그대로의 페룰의 절단부)이 0.01g의 NH4Cl와 0.11g의 요소와 함께 봉입되고 유리 앰풀은 길이기 220㎜이었고, 그 앰풀은 120분 동안 450℃로 가열되었다는 점을 제외하면, 예 1을 반복하였다. 이 예는 4회 별개로 수행되었다. 얻어진 침탄질화 공작물은 모두 약 1200 비커스의 표면 부근 경도와, 각각 15㎛, 18㎛, 18㎛ 및 20㎛의 균일한 케이스 깊이를 가졌다.The workpiece (i.e., the cut-off portion of the ferrule as it was processed) was sealed with 0.01 g of NH 4 Cl and 0.11 g of element, the glass ampoule was 220 mm long and the ampoule was heated to 450 ° C. for 120 minutes Except for this, Example 1 was repeated. This example was performed four separate times. All of the carbo-nitriding workpieces had a near surface hardness of about 1200 Vickers and a uniform case depth of 15, 18, 18 and 20 mu m, respectively.

예 5:Example 5:

공작물이 0.01g의 염화 구아니디늄과 0.11g의 요소와 함께 봉입되었다는 점을 제외하면, 예 4를 반복하였다. 이 예도 4회 별개로 수행되었다. 얻어진 침탄질화 공작물은 모두 약 1100 비커스의 표면 부근 경도와, 각각 20㎛, 21㎛, 22㎛ 및 18㎛의 균일한 케이스 깊이를 가졌다.Example 4 was repeated except that the workpiece was enclosed with 0.01 g of gallium anilide and 0.11 g of element. This example was also carried out four times separately. The obtained carbo-nitriding workpieces all had a hardness near the surface of about 1100 Vickers and a uniform case depth of 20 mu m, 21 mu m, 22 mu m and 18 mu m, respectively.

예 6:Example 6:

공작물이 0.01g의 염화 피리디늄과 0.11g의 요소와 함께 봉입되었다는 점을 제외하면, 예 4를 반복하였다. 이 예는 단 1회만 수행하였으며, 약 900 비커스의 표면 부근 경도와 13 ㎛의 균일한 케이스 깊이를 갖는 침탄질화 공작물을 생성하였다.Example 4 was repeated except that the workpiece was enclosed with 0.01 g of pyridinium chloride and 0.11 g of element. This example was performed only once, yielding a carbo-nitrided workpiece having a near surface hardness of about 900 Vickers and a uniform case depth of 13 mu m.

예 7:Example 7:

공작물을 요소 0.09g와, 10중량%의 염화 피리디늄, 10중량%의 염화 구아니디늄, 80중량%의 NH4Cl을 포함한 염 혼합물 0.03g와 함께 봉입하였고, 그 공작물을 먼저 60분 동안 250℃로 가열한 후에 120분 동안 450℃로 추가 가열하였다는 점을 제외하면, 예 6을 반복하였다. 제작된 침탄질화 공작물은 약 850 비커스의 표면 부근 경도와, 14㎛의 균일한 케이스 깊이를 가졌다.The workpiece was sealed with 0.09 g of element, 0.03 g of a salt mixture containing 10% by weight of pyridinium chloride, 10% by weight of anhydrous anodic chloride, 80% by weight NH 4 Cl and the workpiece was first treated with 250 Lt; RTI ID = 0.0 > 450 C < / RTI > for 120 minutes. The prepared carbo-nitriding workpiece had a near surface hardness of about 850 Vickers and a uniform case depth of 14 mu m.

예 8:Example 8:

공작물이 825 Incoloy 합금으로 이루어진 점을 제외하면, 예 7을 반복하였다. 제작된 침탄질화 공작물은 약 600 비커스의 표면 부근 경도와, 12㎛의 균일한 케이스 깊이를 가졌다.Example 7 was repeated except that the workpiece consisted of 825 Incoloy alloys. The carbo-nitrided workpiece produced had a near surface hardness of about 600 Vickers and a uniform case depth of 12 mu m.

예 9:Example 9:

공작물이 625 Incoloy 합금으로 이루어진 점을 제외하면, 예 8을 반복하였다. 제작된 침탄질화 공작물은 약 600 비커스의 표면 부근 경도와, 10㎛의 균일한 케이스 깊이를 가졌다.Example 8 was repeated except that the workpiece consisted of 625 Incoloy alloy. The prepared carbo-nitriding workpiece had a hardness near the surface of about 600 Vickers and a uniform case depth of 10 mu m.

예 10:Example 10:

625 Inconel 합금의 1/4인치의 기계가공 상태 그대로의 페룰을 12㎜ 직경 210㎜ 길이의 진공 유리 앰플 내에 0.093g의 요소, 0.003g의 염화 구아니디늄 및 0.024g의 NH4Cl와 함께 봉입하고 120분 동안 500℃로 가열하였다. 이 실험은 2회 수행되었다. 제작된 두 침탄질화 공작물 모두 약 1100 비커스의 표면 부근 경도를 가진 한편, 그 공작물 중 하나는 14㎛의 균일한 케이스 깊이를 가졌고 다른 하나는 11㎛의 균일한 케이스 깊이를 가졌다.A 1/4 inch machined state of the 625 Inconel alloy ferrule was enclosed in a 12 mm diameter 210 mm long vacuum glass ampule with 0.093 g of urea, 0.003 g of guanidinium chloride and 0.024 g of NH 4 Cl Heated to 500 < 0 > C for 120 minutes. This experiment was performed twice. Both of the carbo-nitrided workpieces produced had near surface hardness of about 1100 Vickers while one of the workpieces had a uniform case depth of 14 mu m and the other had a uniform case depth of 11 mu m.

예 11:Example 11:

공작물이 825 Incoloy 합금의 1/2인치의 기계가공 상태 그대로의 페룰의 절단부로 이루어진 점을 제외하면, 예 10을 반복하였다. 제작된 두 침탄질화 공작물 모두 약 1250 비커스의 표면 부근 경도를 가진 한편, 각각 20㎛ 및 22㎛의 균일한 케이스 깊이를 가졌다.Example 10 was repeated, except that the workpiece consisted of a cut of the ferrule as machined in a 1/2 inch of the 825 Incoloy alloy. Both of the carburized nitrides produced had a near surface hardness of about 1250 Vickers while having a uniform case depth of 20 and 22 mu m, respectively.

예 12:Example 12:

3개의 별개의 공작물, 즉 AISI 316 스테인리스강으로 이루어진 1/2인치(1.27㎝) 직경의 기계가공 상태 그대로의 페룰의 절단부를 포함한 첫 번째 공작물, 625 Inconel 합금의 1/4인치의 기계가공 상태 그대로의 페룰을 포함한 두 번째 공작물, 그리고 825 Incoloy 합금의 1/2인치의 기계가공 상태 그대로의 페룰의 절단부를 포함한 세 번째 공작물을 함께 12㎜ 직경 120㎜ 길이의 개방단을 갖는 유리 실린더 내에 넣었다. 게다가, 0.63g의 염화 구아니디늄, 5.0g의 NH4Cl 및 19.4g의 요소도 개방단을 갖는 유리 튜브 내에 넣었다. 이어서, 그 튜브를 470℃에서 120분 동안 가열하였다.The first workpiece, which includes cuts of ferrule in machined form, is made of three separate workpieces, AISI 316 stainless steel, 1/2 inch (1.27 cm) in diameter, machined as a 1/4 inch of 625 Inconel alloy And a third workpiece, including a cut of a ferrule of 1/2 inch machined state of an 825 Incoloy alloy, were placed together in a glass cylinder having a 12 mm diameter and 120 mm long open end. In addition, 0.63 g of guanidinium chloride, 5.0 g of NH 4 Cl and 19.4 g of urea were placed in a glass tube with an open end. The tube was then heated at 470 [deg.] C for 120 minutes.

AISI 316 스테인리스강 페룰로부터 얻어진 침탄질화 제품은 12㎛의 깊이를 갖는 균일 케이스 깊이와 약 1000 비커스의 표면 부근 경도를 가졌다. 625 Inconel 합금의 기계가공 상태 그대로의 페룰로부터 얻어진 침탄질화 제품은 8㎛의 깊이를 갖는 균일 케이스 깊이와 약 800 비커스의 표면 부근 경도를 가진 한편, 825 Incoloy 합금의 기계가공 상태 그대로의 페룰로부터 얻어진 침탄질화 제품은 11㎛의 깊이를 갖는 균일 케이스 깊이와 약 1200 비커스의 표면 부근 경도를 가졌다.The carbo-nitrided product obtained from the AISI 316 stainless steel ferrule had a uniform case depth with a depth of 12 [mu] m and a hardness near surface of about 1000 Vickers. The carbo-nitrided product obtained from the ferrule of the machined state of the 625 Inconel alloy had a uniform case depth of 8 μm and a hardness near the surface of approximately 800 Vickers, while the carburization obtained from the ferrule of the machined state of the 825 Incoloy alloy The nitrated product had a uniform case depth of 11 mu m and a surface hardness of about 1200 Vickers.

이 예는 대기 공기로 개방된 노에 의해서도 질소 염화물 염 활성화와 저온 요소 기반 침탄질화 처리가 동시에 진행됨을 보여준다. 다시 말해, 대기 공기 중의 산소는 저온 침탄질화 처리를 위해 자가 부동태화 금속의 유효한 활성화를 거의 방해하지 않았다.This example shows that both the nitrogen chloride salt activation and the cold element-based carbo-nitriding process proceed simultaneously with the open air oven. In other words, the oxygen in the atmospheric air hardly interfered with the effective activation of the self-passivating metal for the low temperature carbo-nitriding treatment.

예 13:Example 13:

AISI 316 스테인리스강으로 이루어진 1/2인치(1.27㎝) 직경의 기계가공 상태 그대로의 페룰의 절단부를 각각 포함한 2개의 별개의 공작물을 동일한 2㎜ 직경 120㎜ 길이의 앰풀에 봉입하였고, 또한 그 앰풀에는 0.13g의 NH4Cl도 수용하였다. 그 앰풀은 1 내지 2Pa의 압력까지 배기시켜 밀봉하여, 60분 동안 350℃로 활성화용 노에서 가열하였다. 이어서, 그 앰풀을 냉각시키고 깨뜨려 개방하였으며, 그 내의 두 공작물을 서로 수마일 떨어져 위치한 2개의 별개의 침탄처리용 노로 개방 분위기에서 운반하였다.Two separate workpieces, each containing a cut of a machined ferrule of 1/2 inch (1.27 cm) diameter made of AISI 316 stainless steel, were encapsulated in the same 2 mm diameter 120 mm length ampoule, 0.13 g of NH 4 Cl was also accommodated. The ampoule was evacuated to 1 to 2 Pa pressure, sealed and heated in an activation furnace at 350 DEG C for 60 minutes. The ampoule was then cooled, crushed open, and the two workpieces in it were carried in an open atmosphere with two separate carburizing furnaces located several miles away from each other.

개방 분위기에서 약 24시간 동안 노출된 후에, 각 공작물은 450℃에서 16시간 동안 침탄 가스와 접촉함으로써 저온 침탄 처리를 받았다. 제1 침탄처리용 노에서 이용된 침탄 가스는 27%의 아세틸렌, 7%의 H2 및 66%의 N2로 이루어졌다. 한편, 제2 침탄처리용 노에서 이용된 침탄 가스는 50%의 아세틸렌과 50%의 H2로 이루어졌다.After being exposed for about 24 hours in an open atmosphere, each workpiece was subjected to a low temperature carburizing treatment by contact with carburizing gas at 450 占 폚 for 16 hours. The carburizing gas used in the first carburizing furnace was composed of 27% of acetylene, 7% of H 2 and 66% of N 2 . On the other hand, the carburizing gas used in the second carburizing furnace was composed of 50% of acetylene and 50% of H 2 .

제1 침탄 처리용 노에서 제작된 침탄 공작물은 약 1000 비커스의 표면 부근 경도와, 20㎛의 균일한 케이스 깊이를 가진 한편, 제2 침탄 처리용 노에서 제작된 침탄 공작물은 약 750 비커스의 표면 부근 경도와, 20㎛의 균일한 케이스 깊이를 가졌다.The carburized workpiece made in the first carburizing furnace had a near surface hardness of about 1000 Vickers and a uniform case depth of 20 mu m while the carburized workpiece made in the second carburizing furnace had a surface roughness of about 750 Vickers Hardness and a uniform case depth of 20 mu m.

이 예는 공작물의 활성화에 이용되는 무산소 질소 할로겐화물 염이 염소계이더라도, 활성화된 공작물은 본질적으로 대기중의 산소에 대한 노출에 영향을 받지 않음을 보여준다.This example shows that although the oxygen-free nitrogen halide salt used to activate the workpiece is chlorine-based, the activated workpiece is essentially unaffected by exposure to atmospheric oxygen.

예 14:Example 14:

2개의 공작물을 수용한 앰풀이 350℃에서 90분 동안 가열되었다는 점을 제외하면, 예 13을 반복하였다. 제1 침탄 처리용 노에서 제작된 침탄 공작물은 약 1000 비커스의 표면 부근 경도와, 20㎛의 균일한 케이스 깊이를 가진 한편, 제2 침탄 처리용 노에서 제작된 침탄 공작물은 약 800 비커스의 표면 부근 경도와, 20㎛의 균일한 케이스 깊이를 가졌다.Example 13 was repeated except that an ampoule containing two workpieces was heated at 350 DEG C for 90 minutes. The carburized workpiece made in the first carburizing furnace had a near surface hardness of about 1000 Vickers and a uniform case depth of 20 μm while the carburized workpiece produced in the second carburizing furnace had a surface roughness of about 800 Vickers Hardness and a uniform case depth of 20 mu m.

이상, 본 별명의 몇몇 실시예에 대해서만 설명하였지만, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 수많은 수정이 이루어질 수 있다는 점을 이해할 것이다. 그러한 수정 전부는 이하의 청구 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.While only a few embodiments of this alias have been described above, it will be appreciated that numerous modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. All such modifications are intended to be included within the spirit and scope of the present invention, which is limited only by the following claims.

Claims (20)

이전의 금속 성형 공정의 결과로서 베일비층(Beilby layer)을 형성하는 하나 이상의 표면 영역을 갖는 자가 부동태화 금속(self passivating metal)으로 이루어진 공작물을, 후속 저온 침탄, 침탄질화 또는 질화 처리를 위해 활성화하는 프로세스로서:
상기 공작물을, 무산소 질소 할로겐화물 염을 증기로 전환하기에 충분히 높은 온도로 무산소 질소 할로겐화물 염을 가열함으로써 생성된 증기와 접촉하게 노출시키는 것
을 포함하며, 상기 공작물은 질화물 및/또는 탄화물 석출물을 형성하는 온도보다 낮은 활성화 온도에서 상기 공작물을 활성하기에 충분한 시간 동안 상기 증기에 노출시키는 것인 프로세스.
A workpiece made of a self-passivating metal having at least one surface area that forms a Beilby layer as a result of a previous metal forming process is activated for subsequent cold carburization, carburizing or nitriding treatment As a process:
Exposing the workpiece to contact with vapors produced by heating the anoxic nitrogen halide salt to a temperature high enough to convert the oxygen-free nitrogen halide salt to steam
Wherein the workpiece is exposed to the steam for a time sufficient to activate the workpiece at an activation temperature that is lower than the temperature at which nitride and / or carbide precipitates are formed.
제1항에 있어서, 상기 무산소 질소 할로겐화물 염은, (1) 그 무산소 질소 할로겐화물 염에 상온에서 물에 대해 적어도 5몰/리터의 용해도를 제공하는 할로겐화물 음이온을 포함하고, (2) 적어도 하나의 질소 원자를 함유하고, (3) 산소를 함유하지 않으며, 그리고 (4) 대기압에서 350℃의 온도로 가열될 때에 기화하는 이온성 화합물을 포함하는 것인 프로세스.The method of claim 1, wherein the anoxic nitrogen halide salt comprises: (1) a halogenated anion that provides a solubility of at least 5 moles / liter to water in the anoxic nitrogen halide salt at room temperature; (2) (3) oxygen-free, and (4) atmospheric pressure to 350 < 0 > C. 제2항에 있어서, 상기 무산소 질소 할로겐화물 염은, 염화암모늄, 불화 암모늄, 염화 구아니디늄, 불화 구아니디늄, 염화 피리디늄, 불화 피리디늄 또는 그 혼합물을 포함하는 것인 프로세스.3. The process of claim 2, wherein the anoxic nitrogen halide salt comprises ammonium chloride, ammonium fluoride, guanidinium chloride, guanidinium fluoride, pyridinium chloride, pyridinium fluoride, or mixtures thereof. 제3항에 있어서, 상기 무산소 질소 할로겐화물 염은, 염화암모늄, 염화 구아니디늄 또는 그 혼합물을 포함하는 것인 프로세스.4. The process of claim 3, wherein the anoxic nitrogen halide salt comprises ammonium chloride, guanidinium chloride, or mixtures thereof. 제4항에 있어서, 상기 무산소 질소 할로겐화물 염은 염화암모늄을 포함하는 것인 프로세스.5. The process of claim 4, wherein the anoxic nitrogen halide salt comprises ammonium chloride. 제4항에 있어서, 상기 무산소 질소 할로겐화물 염은 염화 구아니디늄을 포함하는 것인 프로세스.5. The process of claim 4, wherein the anoxic nitrogen halide salt comprises guanidinium chloride. 제1항에 있어서, 상기 공작물은 스테인리스강으로 이루어지는 것인 프로세스.The process according to claim 1, wherein the workpiece is made of stainless steel. 제7항에 있어서, 상기 스테인리스강은 AISI 316 스테인리스강으로 이루어지는 것인 프로세스.8. The process according to claim 7, wherein the stainless steel is made of AISI 316 stainless steel. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공작물과 상기 무산소 질소 할로겐화물 염은 폐쇄 시스템에서 함께 가열되는 것인 프로세스.7. The process according to any one of claims 1 to 6, wherein the workpiece and the oxygen-free nitrogen halide salt are heated together in a closed system. 제1항에 있어서, 상기 공작물은 질소 원자가 그 공작물의 표면 내로 확산하게 하기에는 충분한 시간 및 온도 조건 하에서 상기 증기에 노출되어, 질화물 석출물의 형성 없이 공작물을 질화 처리하는 것인 프로세스.2. The process of claim 1, wherein the workpiece is exposed to the steam under sufficient time and temperature conditions to allow nitrogen atoms to diffuse into the surface of the workpiece, thereby nitriding the workpiece without the formation of nitride precipitates. 제10항에 있어서, 상기 무산소 질소 할로겐화물 염은 탄소를 함유하며, 상기 공작물은 질소 원자와 탄소 원자 모두가 그 공작물의 표면 내로 확산하게 하기에는 충분한 시간 및 온도 조건 하에서 상기 증기에 노출되어, 질화물 석출물 또는 탄화물 석출물의 형성 없이 공작물을 침탄질화 처리하는 것인 프로세스.11. The method of claim 10, wherein the oxygen free nitrogen halide salt comprises carbon and the workpiece is exposed to the vapor under conditions of sufficient time and temperature to allow both nitrogen and carbon atoms to diffuse into the surface of the workpiece, Or carburizing the workpiece without the formation of carbide precipitates. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 공작물이 저온 침탄 처리, 저온 질화 처리 및 저온 침탄질화 처리로 이루어진 군으로부터 선택된 저온 가스 경화 처리를 받게 하여, 질화물 또는 탄화물 석출물의 형성 없이 상기 공작물의 표면에 경화된 표면층을 형성하는 것을 더 포함하며, 상기 저온 가스 경화 처리는 상기 공작물을 상기 증기와는 다른 추가적인 가스와 접촉시킴으로써 수행되며, 상기 추가적인 가스는 질화를 위한 질소 원자를 생성하도록 분해될 수 있는 화합물, 침탄을 위한 탄소 원자를 생성하도록 분해될 수 있는 화합물, 및 침탄질화를 위한 질소 및 탄소 원자 모두를 생성하도록 분해될 수 있는 화합물 중 적어도 하나를 함유하는 것인 프로세스.12. The method of claim 10 or 11, wherein the workpiece is subjected to a low temperature gas hardening treatment selected from the group consisting of a low temperature carburizing treatment, a low temperature nitriding treatment, and a low temperature carburizing nitriding treatment, Wherein the cold gas hardening treatment is performed by contacting the workpiece with an additional gas other than the vapor and the additional gas is a compound capable of decomposing to produce a nitrogen atom for nitridation, A compound capable of decomposing to produce carbon atoms for carburization, and a compound capable of decomposing to produce both nitrogen and carbon atoms for carbo-nitriding. 제12항에 있어서, 상기 공작물은 그 공작물이 활성화된 후에만 상기 추가적인 가스와 접촉하는 것인 프로세스.13. The process of claim 12, wherein the workpiece contacts the additional gas only after the workpiece is activated. 제12항에 있어서, 상기 공작물이 활성화된 후에 그 공작물을 대기중 산소에 노출시키는 것을 더 포함하는 것인 프로세스.13. The process of claim 12, further comprising exposing the workpiece to atmospheric oxygen after the workpiece is activated. 제14항에 있어서, 상기 무산소 질소 할로겐화물 염은 염화물인 것인 프로세스.15. The process of claim 14, wherein the anoxic nitrogen halide salt is a chloride. 제14항에 있어서, 상기 공작물의 활성화는 활성화용 노에서 수행되며, 상기 활성화용 노와는 다른 열처리용 노에서 저온 가스 경화가 이루어지며, 상기 공작물은 상기 활성화용 노와 상기 열처리용 노 간에 운반되는 중에 대기중 산소에 노출되는 것인 프로세스.15. The method of claim 14, wherein activation of the workpiece is performed in an activation furnace, wherein low temperature gas curing is performed in a heat treatment furnace different from the activation furnace, and wherein the workpiece is transferred between the activation furnace and the heat treatment furnace Wherein the process is exposed to atmospheric oxygen. 제16항에 있어서, 상기 무산소 질소 할로겐화물 염은 염화물인 것인 프로세스.17. The process of claim 16, wherein the anoxic nitrogen halide salt is a chloride. 제1항에 있어서, 대기중 산소에 상기 공작물을 노출시키는 것을 더 포함하는 것인 프로세스.The process of claim 1, further comprising exposing the workpiece to atmospheric oxygen. 제18항에 있어서, 상기 무산소 질소 할로겐화물 염은 염화물인 것인 프로세스.19. The process of claim 18, wherein the anoxic nitrogen halide salt is a chloride. 제19항에 있어서, 상기 공작물은 후속 저온 침탄 처리, 질화 처리 또는 침탄질화 처리 전에 대기중의 산소에 노출되는 것인 프로세스.20. The process of claim 19, wherein the workpiece is exposed to atmospheric oxygen prior to a subsequent cold carburizing, nitriding or carbo-nitriding treatment.
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